RU2866309C2 - Method for producing inorganic filtration media by interleaving and resulting membrane - Google Patents
Method for producing inorganic filtration media by interleaving and resulting membraneInfo
- Publication number
- RU2866309C2 RU2866309C2 RU2024121521A RU2024121521A RU2866309C2 RU 2866309 C2 RU2866309 C2 RU 2866309C2 RU 2024121521 A RU2024121521 A RU 2024121521A RU 2024121521 A RU2024121521 A RU 2024121521A RU 2866309 C2 RU2866309 C2 RU 2866309C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- extrusion head
- layer
- path
- overlapping
- previously applied
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Данное изобретение относится к способу изготовления монолитного неорганического пористого носителя, который можно применять, в частности, для получения фильтрационной мембраны и, в частности, тангенциальной фильтрационной мембраны. В частности, пористый носитель получают при помощи аддитивной технологии добавления материала.This invention relates to a method for producing a monolithic inorganic porous support, which can be used, in particular, to produce a filtration membrane, and in particular a tangential filtration membrane. Specifically, the porous support is produced using additive material addition technology.
Уровень техникиState of the art
Фильтрационная мембрана образует селективный барьер и обеспечивает под действием силы переноса пропускание или задержание определенных компонентов обрабатываемой текучей среды. Пропускание или задержание компонентов может зависеть от их размера по отношению к размеру пор мембраны, которая в этом случае ведет себя как фильтр. В зависимости от размера пор эти технологии называются микрофильтрацией, ультрафильтрацией или нанофильтрацией.A filtration membrane forms a selective barrier and, under the influence of transport forces, allows certain components of the fluid to pass through or be retained. The passage or retention of components can depend on their size relative to the pore size of the membrane, which then acts as a filter. Depending on the pore size, these technologies are called microfiltration, ultrafiltration, or nanofiltration.
Мембрана образована пористым носителем, на который нанесен один или несколько разделительных слоев. Классически, носителю сначала придают форму посредством экструзии. Затем носитель подвергают спеканию, чтобы получить требуемую твердость, сохраняя при этом открытую и взаимосвязанную пористую текстуру. Этот способ требует получения прямолинейных каналов, внутри которых затем наносят и подвергают спеканию разделительный слой или разделительные слои. Выполненная таким образом мембрана подвергается по меньшей мере двум операциям спекания. Органические связующие, добавленные во время приготовления пасты до ее экструзии, полностью сгорают во время спекания носителя.The membrane is formed from a porous support onto which one or more separating layers are applied. Traditionally, the support is first shaped by extrusion. The support is then sintered to achieve the desired hardness while maintaining an open and interconnected porous structure. This method requires the creation of linear channels, within which the separating layer or layers are then applied and sintered. The resulting membrane undergoes at least two sintering operations. Organic binders added during the preparation of the paste prior to extrusion are completely burned off during sintering of the support.
В документе FR 3006606 заявитель описал получение фильтрационной мембраны, пористый носитель которой выполнен при помощи аддитивной технологии посредством многократного нанесения сплошного слоя порошка, после чего осуществляют локальное упрочнение в соответствии с заранее определенным рисунком. Эта технология позволяет получать механически прочные фильтрационные мембраны, используемые для тангенциальной фильтрации. Однако недостатком этой технологии является необходимость регулировки текучести порошка для обеспечения его идеального растекания во время нанесения слоя порошка. Кроме того, эта технология требует удаления не затвердевшего порошка, чтобы, в случае необходимости, использовать его повторно, что может оказаться сложным, длительным и дорогим процессом, в частности, когда этот не затвердевший порошок находится в непрямолинейных каналах пористого носителя.In document FR 3006606, the applicant described the production of a filtration membrane whose porous support is manufactured using additive manufacturing through multiple deposition of a continuous powder layer, followed by localized hardening according to a predetermined pattern. This technology enables the production of mechanically robust filtration membranes used for tangential filtration. However, a disadvantage of this technology is the need to regulate the powder flowability to ensure its ideal spreading during powder deposition. Furthermore, this technology requires the removal of uncured powder for reuse, if necessary, which can be a complex, time-consuming, and expensive process, particularly when this uncured powder is located in non-linear channels of the porous support.
Заявитель предложил также в документах WO 2020/109715 и WO 2020/109716 новые способы получения пористого носителя, которые не имеют недостатков известных решений и, в частности, которые являются быстрыми, легкими в применении и позволяют получать механически прочный пористый носитель, форму которого и, в частности, форму непрямолинейных каналов можно легко менять. Получаемый пористый носитель является однородным, механически прочным и имеет пористость, необходимую для использования при фильтрации, то есть пористость, составляющую от 10 до 60%, которая является открытой и взаимосвязанной со средним диаметром пор, составляющим от 0,5 мкм до 50 мкм.The applicant also proposed in documents WO 2020/109715 and WO 2020/109716 new methods for producing a porous support that overcome the drawbacks of known solutions and, in particular, are fast, easy to use, and produce a mechanically strong porous support whose shape, and in particular the shape of non-rectilinear channels, can be easily changed. The resulting porous support is uniform, mechanically strong, and has a porosity suitable for use in filtration, i.e., a porosity of 10 to 60%, which is open and interconnected, with an average pore diameter of 0.5 μm to 50 μm.
Для этого в рамках способов применяют машину для 3D-печати, содержащую экструзионную головку, установленную с возможностью перемещения в пространстве относительно неподвижной горизонтальной площадки и над ней. Неорганическая композиция выходит из экструзионной головки в виде ленты материала или валика, позволяющего построить на основании цифровой 3D-модели манипулируемую необработанную трехмерную структуру, предназначенную для формирования монолитного неорганического пористого носителя или пористых носителей. Затем манипулируемая необработанная трехмерная структура проходит через этап спекания.To achieve this, these methods utilize a 3D printing machine containing an extrusion head mounted movably relative to and above a fixed horizontal platform. The inorganic composition emerges from the extrusion head as a ribbon of material or a roller, enabling the construction of a manipulated, raw 3D structure based on a digital 3D model, intended to form a monolithic inorganic porous support or supports. The manipulated, raw 3D structure then undergoes a sintering step.
Как было указано в этих документах, манипулируемую необработанную трехмерную структуру получают посредством наложения друг на друга пластов, каждый из которых соответствует набору сплошных или прерывистых валиков, расположенных или не расположенных рядом друг с другом, которые экструдируют по одинаковой высоте в соответствии с цифровой 3D-моделью. Различные пласты можно располагать друг над другом по-разному вдоль вертикальной оси.As described in these documents, a manipulated, raw 3D structure is achieved by superimposing layers, each corresponding to a set of continuous or discontinuous beads, either adjacent or not, extruded at the same height according to a digital 3D model. Different layers can be positioned on top of each other in different ways along the vertical axis.
В предшествующем уровне техники из документа WO 2020/109716 известен также способ изготовления трехмерного объекта посредством моделирования путем нанесения расплавленной нити, в котором выполняют путь посредством перекрывания. В патентной заявке US 2017/165917 тоже описан способ изготовления трехмерного объекта посредством моделирования, в котором применяют две форсунки для нанесения материала, управляемые таким образом, чтобы создавать, в частности, перекрещивание между двумя валиками материала.Prior art from document WO 2020/109716 also discloses a method for producing a three-dimensional object by modeling with a molten filament, in which the path is created by overlapping. Patent application US 2017/165917 also describes a method for producing a three-dimensional object by modeling, in which two nozzles are used to apply material, controlled to create, in particular, an intersection between two beads of material.
Таким образом, заявитель предложил выполнять пласты путем вертикального нанесения друг на друга смежных валиков материала (с), как показано на фиг. 1А. Заявитель отметил, что после операции спекания (фиг. 1В) такая структура содержала пустоты (v), которые могли иметь размер, превышающий размер пор и которые могли снижать механическую прочность пористого носителя.Thus, the applicant proposed to produce layers by vertically depositing adjacent beads of material (c) on top of each other, as shown in Fig. 1A. The applicant noted that after the sintering operation (Fig. 1B), such a structure contained voids (v), which could have a size exceeding the size of the pores and which could reduce the mechanical strength of the porous carrier.
Заявитель предложил также выполнять пласты путем нанесения валиков материала (с), располагаемых в шахматном порядке, как показано на фиг. 1С. Это решение ничего не дает с точки зрения устранения остаточных пустых пространств (v) между валиками материала. После операции спекания (фиг. 1D) структура все еще имеет внутренние пустоты (v). Кроме того, это решение снижает качество боковых поверхностей, так как один пласт из двух имеет пропуск, приводящий к оседанию материала верхнего слоя.The applicant also proposed producing layers by depositing beads of material (c) arranged in a staggered pattern, as shown in Fig. 1C. This solution offers no benefit in terms of eliminating residual voids (v) between the beads of material. After the sintering operation (Fig. 1D), the structure still contains internal voids (v). Furthermore, this solution reduces the quality of the side surfaces, as one of the two layers has a gap, leading to settling of the material of the top layer.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Изобретение ставит перед собой задачу устранить недостатки, присущие известным решениям, и предложить новый способ изготовления неорганического монолитного пористого носителя, который позволяет избегать образования пустых пространств, приводящих к снижению механической прочности пористого носителя.The invention aims to eliminate the disadvantages inherent in known solutions and to propose a new method for producing an inorganic monolithic porous carrier, which avoids the formation of empty spaces that lead to a decrease in the mechanical strength of the porous carrier.
Изобретение призвано также предложить способ изготовления трехмерной структуры, который позволяет контролировать размеры этой трехмерной структуры и, в частности, профиль стенок этой трехмерной структуры.The invention is also intended to provide a method for producing a three-dimensional structure that makes it possible to control the dimensions of this three-dimensional structure and, in particular, the profile of the walls of this three-dimensional structure.
Изобретение призвано также предложить способ изготовления трехмерной структуры, имеющей по меньшей мере один канал для циркуляции обрабатываемой текучей среды, содержащий стенку, выполненную с возможностью нанесения на нее разделительных слоев.The invention is also intended to provide a method for producing a three-dimensional structure having at least one channel for circulating a processed fluid medium, containing a wall designed with the possibility of applying separating layers thereto.
Изобретение призвано также предложить способ изготовления трехмерной структуры, содержащий стенку с непрерывной последовательностью закругленных рельефных элементов, приводящих к изменениям проходного сечения канала, одновременно избегая нежелательных потерь напора.The invention is also intended to provide a method for producing a three-dimensional structure comprising a wall with a continuous sequence of rounded relief elements that result in changes in the flow cross-section of the channel, while avoiding unwanted pressure losses.
Для решения этих задач изобретением предложен способ изготовления по меньшей мере одного монолитного неорганического пористого носителя, содержащего по меньшей мере один канал для циркуляции обрабатываемой текучей среды и имеющего пористость, составляющую от 10% до 60%, и средний диаметр пор в диапазоне от 0,5 мкм до 50 мкм, при помощи машины 3D-печати, содержащей по меньшей мере одну экструзионную головку, установленную подвижно в пространстве над неподвижной горизонтальной площадкой и перемещаемую последовательно с номинальной высотой по заранее определенной цифровой траектории для осуществления нанесения наложенных друг на друга слоев материала, каждый из которых имеет номинальную ширину и толщину, определяемую между нижней поверхностью и верхней поверхностью, при этом указанная машина 3D-печати обеспечивает нанесение материала в виде:In order to solve these problems, the invention proposes a method for producing at least one monolithic inorganic porous carrier containing at least one channel for circulation of the processed fluid and having a porosity of 10% to 60% and an average pore diameter in the range of 0.5 μm to 50 μm, using a 3D printing machine containing at least one extrusion head mounted movably in space above a fixed horizontal platform and moved sequentially with a nominal height along a predetermined digital trajectory for applying superimposed layers of material, each of which has a nominal width and thickness determined between the lower surface and the upper surface, wherein said 3D printing machine ensures the application of material in the form of:
- валика с закругленными краями с целью создания на стенке по меньшей мере одного циркуляционного канала закругленных периферийных рельефных элементов, участвующих в создании завихрений,- a roller with rounded edges for the purpose of creating on the wall of at least one circulation channel rounded peripheral relief elements that participate in the creation of vortices,
- композиции для построения, на указанной горизонтальной площадке, по заранее определенной цифровой траектории стенок манипулируемой необработанной трехмерной структуры, предназначенной для формирования монолитного неорганического пористого носителя или монолитных неорганических пористых носителей, при этом в рамках способа:- compositions for constructing, on the specified horizontal platform, along a predetermined digital trajectory of the walls of a manipulated unprocessed three-dimensional structure intended for the formation of a monolithic inorganic porous carrier or monolithic inorganic porous carriers, wherein within the framework of the method:
- для стенки, ширина которой превышает номинальную ширину наносимого слоя материала цифровую траекторию разбивают исключительно на пути с перекрыванием и на пути с перекрещиванием;- for a wall whose width exceeds the nominal width of the applied layer of material, the digital trajectory is divided exclusively into paths with overlapping and paths with crossing;
- подают композицию на экструзионную головку машины 3D-печати,- feed the composition to the extrusion head of the 3D printing machine,
- экструзионной головкой управляют по цифровой траектории, чтобы:- the extrusion head is controlled along a digital trajectory in order to:
-- для пути с перекрыванием материал в ходе нанесения частично перекрывал по меньшей мере один край ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью материала, присутствующей в его толщине и имеющей толщину, строго меньшую номинальной высоты, чтобы избегать во внутренней части манипулируемой необработанной трехмерной структуры пространств между закругленными краями наносимого слоя материала и краями ранее нанесенного слоя материала,-- for the overlapping path, the material, during application, partially overlaps at least one edge of the previously applied layer of material with an overlapping portion of the material present in its thickness and having a thickness strictly less than the nominal height, in order to avoid, in the interior of the manipulated unprocessed three-dimensional structure, spaces between the rounded edges of the applied layer of material and the edges of the previously applied layer of material,
-- для пути с перекрещиванием материал в ходе нанесения перекрещивался по меньшей мере с одним ранее нанесенным слоем материала с полным перекрыванием указанного ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью материала, присутствующей в его толщине и имеющей толщину, строго меньшую номинальной высоты, чтобы избегать во внутренней части манипулируемой необработанной трехмерной структуры пространств между закругленными краями наносимого слоя материала и краями ранее нанесенного слоя материала.-- for the crossing path, the material during application crossed with at least one previously applied layer of material with a complete overlap of said previously applied layer of material by an overlapping portion of the material present in its thickness and having a thickness strictly less than the nominal height in order to avoid, in the interior of the manipulated unprocessed three-dimensional structure, spaces between the rounded edges of the applied layer of material and the edges of the previously applied layer of material.
Согласно предпочтительному признаку осуществления, экструзионная головка установлена подвижной по заранее определенной цифровой траектории, чтобы осуществлять последовательность оборотов, каждый из которых соответствует проходимому пути, чтобы оказаться в том же положении в горизонтальной плоскости с возвышением, соответствующим номинальной высоте.According to a preferred embodiment feature, the extrusion head is mounted movable along a predetermined digital trajectory to perform a sequence of revolutions, each of which corresponds to a traversed path, in order to end up in the same position in a horizontal plane with an elevation corresponding to a nominal height.
Согласно другому предпочтительному признаку осуществления, экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы по меньшей мере за один оборот экструзионная головка поднималась по меньшей мере один раз на промежуточную высоту, которая является частью номинальной высоты.According to another preferred embodiment feature, the extrusion head is controlled in such a way that, in at least one revolution, the extrusion head is raised at least once to an intermediate height, which is a fraction of the nominal height.
Согласно еще одному предпочтительному признаку изобретения, экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы по меньшей мере за один оборот экструзионная головка оказывалась в разных точках пути, поднимаясь в каждой точке на инкремент высоты, сумма которого соответствует номинальной высоте.According to another preferred feature of the invention, the extrusion head is controlled in such a way that in at least one revolution the extrusion head is at different points along the path, rising at each point by a height increment, the sum of which corresponds to the nominal height.
Предпочтительно экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы посредством последовательных оборотов экструзионная головка поднималась, чтобы строить манипулируемую необработанную трехмерную структуру в соответствии с цифровой 3D-моделью, следуя траектории с непрерывным нанесением материала от начала до завершения построения манипулируемой необработанной трехмерной структуры.Preferably, the extrusion head is controlled such that, through successive revolutions, the extrusion head is raised to build a manipulated raw three-dimensional structure in accordance with a digital 3D model, following a trajectory with continuous material deposition from the start to the completion of the construction of the manipulated raw three-dimensional structure.
Согласно предпочтительному признаку, экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы в ходе каждого оборота экструзионная головка смещалась в горизонтальной плоскости, чтобы наносимый материал частично перекрывал край ранее нанесенного слоя материала.According to a preferred feature, the extrusion head is controlled such that during each revolution the extrusion head is displaced in a horizontal plane so that the material being applied partially overlaps the edge of a previously applied layer of material.
Для пути с перекрещиванием экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы уменьшить количество наносимого материала и чтобы получить перекрывающую часть материала, имеющую толщину, строго меньшую номинальной высоты.For the crossing path, the extrusion head is controlled in such a way as to reduce the amount of material applied and to obtain an overlapping portion of material having a thickness strictly less than the nominal height.
Для пути с одинаковым перекрыванием экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы поддерживать постоянный расход наносимого материала.For a path with equal overlap, the extrusion head is controlled to maintain a constant flow rate of applied material.
Для пути с перекрыванием экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы регулировать ее положение в плоскости для определения степени перекрывания перекрывающей части материала на ранее нанесенном слое материала.For the overlapping path, the extrusion head is controlled to adjust its position in the plane to determine the degree of overlap of the overlapping portion of the material on the previously applied layer of material.
Для пути с перекрыванием расход экструзионной головки регулируют в зависимости от степени перекрывания перекрывающей части материала на ранее нанесенном слое материала.For the overlapping path, the flow rate of the extrusion head is adjusted depending on the degree of overlap of the overlapping portion of the material on the previously applied layer of material.
Как правило, экструзионная головка установлена подвижной по заранее определенной цифровой траектории, чтобы осуществлять нанесение слоев друг на друга пластами, каждый из которых возвышается на номинальную высоту.Typically, the extrusion head is mounted to move along a predetermined digital path to deposit layers on top of each other in sheets, each rising to a nominal height.
Согласно другому признаку изобретения, экструзионной головкой управляют таким образом, чтобы выполнить в манипулируемой необработанной трехмерной структуре по меньшей мере один канал циркуляции обрабатываемой текучей среды, содержащий стенку, имеющую последовательность закругленных рельефных элементов, создающих изменения проходного сечения канала, причем эти закругленные рельефные элементы образованы частью материала, находящейся противоположно к перекрывающей части материала.According to another feature of the invention, the extrusion head is controlled in such a way as to create in the manipulated unprocessed three-dimensional structure at least one channel for circulation of the processed fluid medium, comprising a wall having a sequence of rounded relief elements that create changes in the cross-section of the channel, wherein these rounded relief elements are formed by a part of the material located opposite to the overlapping part of the material.
Согласно еще одному признаку, регулируют параметры экструзии, и экструзионная головка выполнена таким образом, чтобы часть материала, находящаяся противоположно к перекрывающей части материала, имела закругленный край.According to another feature, the extrusion parameters are adjusted, and the extrusion head is designed in such a way that the part of the material located opposite to the overlapping part of the material has a rounded edge.
Классически, манипулируемую необработанную трехмерную структуру помещают в печь термической обработки с целью осуществления операции спекания.Classically, the manipulated, raw 3D structure is placed in a heat treatment furnace to perform the sintering operation.
Изобретение призвано также предложить способ получения тангенциальной фильтрационной мембраны, включающий в себя изготовление монолитного неорганического пористого носителя, в котором выполнен по меньшей мере один канал циркуляции обрабатываемой текучей среды, за которым после спекания указанного носителя следует этап создания по меньшей мере одного разделительного слоя на стенках канала или каналов.The invention is also intended to provide a method for producing a tangential filtration membrane, which includes the production of a monolithic inorganic porous carrier in which at least one channel for the circulation of the fluid being processed is formed, followed by the step of creating at least one separating layer on the walls of the channel or channels after sintering of said carrier.
Еще одним объектом изобретения является монолитный неорганический пористый носитель, изготовленный при помощи заявленного способа и содержащий наружную поверхность, имеющую последовательность закругленных периферийных рельефных элементов, и циркуляционный канал, стенка которого имеет закругленные периферийные рельефные элементы, участвующие в создании завихрений.Another object of the invention is a monolithic inorganic porous carrier manufactured using the claimed method and containing an outer surface having a sequence of rounded peripheral relief elements, and a circulation channel, the wall of which has rounded peripheral relief elements that participate in the creation of vortices.
Еще одним объектом изобретения является тангенциальная фильтрационная мембрана, содержащая монолитный неорганический пористый носитель, оснащенный по меньшей мере одним каналом циркуляции обрабатываемой текучей среды, стенка которого с закругленными периферийными рельефными элементами покрыта по меньшей мере одним разделительным слоем.Another object of the invention is a tangential filtration membrane containing a monolithic inorganic porous carrier equipped with at least one channel for circulation of the processed fluid, the wall of which with rounded peripheral relief elements is covered with at least one separating layer.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. 1А показан вид в разрезе стенки, выполненной посредством вертикального наслоения нанесенных валиков материала, где показаны пустые пространства;Fig. 1A shows a sectional view of a wall made by vertically layering applied beads of material, where empty spaces are shown;
на фиг. 1В показан вид стенки, изображенной на фиг. 1А, с показом остающихся пустых пространств;Fig. 1B shows a view of the wall shown in Fig. 1A, showing the remaining empty spaces;
на фиг. 1С показан вид в разрезе стенки, выполненной посредством вертикального наслоения в шахматном порядке нанесенных валиков материала, где показаны пустые пространства;Fig. 1C shows a sectional view of a wall made by vertically layering staggered layers of material, showing empty spaces;
на фиг. 1D показан вид стенки, показанной на фиг. 1С, после операции спекания с показом остающихся пустых пространств;Fig. 1D is a view of the wall shown in Fig. 1C after the sintering operation, showing the remaining empty spaces;
на фиг. 2А показан схематичный вид машины 3D-печати, позволяющей применять изобретение;Fig. 2A shows a schematic view of a 3D printing machine that allows the invention to be used;
на фиг. 2В показан вид в перспективе примера выполнения манипулируемой необработанной трехмерной структуры;Fig. 2B shows a perspective view of an example of the implementation of a manipulated raw three-dimensional structure;
на фиг. 3 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий нанесение материала в конвенциональном режиме для получения трубчатой стенки шириной, равной номинальной ширине наносимого слоя материала;Fig. 3 is a schematic top view illustrating the application of material in a conventional mode to produce a tubular wall with a width equal to the nominal width of the applied layer of material;
на фиг. 3А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 3 с показом нанесения последовательных слоев материала в конвенциональном режиме для получения трубчатой стенки;Fig. 3A is a sectional view taken substantially along lines A-A of Fig. 3 showing the application of successive layers of material in a conventional manner to produce a tubular wall;
на фиг. 4 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий нанесение материала в режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, равной номинальной ширине наносимого слоя материала;Fig. 4 is a schematic top view illustrating the application of material in a vase mode to produce a tubular wall with a width equal to the nominal width of the applied layer of material;
на фиг. 4А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 4 с показом нанесения последовательных слоев материала в режиме вазы для получения трубчатой стенки;Fig. 4A is a sectional view substantially along lines A-A of Fig. 4 showing the application of successive layers of material in a vase mode to produce a tubular wall;
на фиг. 5 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий в рамках изобретения принцип нанесения материала для пути с перекрыванием экструзионной головки;Fig. 5 shows a schematic top view illustrating, within the framework of the invention, the principle of applying material to a path with overlapping of the extrusion head;
на фиг. 5А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 5 с показом перекрывания слоев материала для пути с перекрыванием экструзионной головки;Fig. 5A is a sectional view taken substantially along lines A-A of Fig. 5 showing the overlapping of layers of material for the die overlap path;
на фиг. 6 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий нанесение материала для пути с перекрещиванием экструзионной головки;Fig. 6 is a schematic top view illustrating the application of material to a cross-die path;
на фиг. 6А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 6 с показом нанесения слоев материала с перекрыванием в рамках изобретения для пути с перекрещиванием экструзионной головки;Fig. 6A is a sectional view taken substantially along lines A-A of Fig. 6 showing the application of layers of material with overlapping within the scope of the invention for a crossover die path;
на фиг. 6В показан вид в разрезе по существу по линиям В-В фиг. 6 с показом нанесения слоев материала с перекрыванием в рамках изобретения для пути с перекрещиванием экструзионной головки;Fig. 6B is a sectional view taken substantially along lines B-B of Fig. 6 showing the application of layers of material with overlapping within the framework of the invention for a cross-die path;
на фиг. 7 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий этап принципа нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 7 is a schematic top view illustrating a step of the principle of applying material in a sequential vase mode to obtain a tubular wall with a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 7А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 7, иллюстрирующий этап принципа нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 7A is a sectional view substantially along lines A-A of Fig. 7, illustrating a step in the principle of applying material in a sequential vase mode to obtain a tubular wall of a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 7В показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий проход для нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 7B is a schematic top view illustrating a passage for applying material in a sequential vase mode to produce a tubular wall with a width greater than the nominal width of the material layer;
на фиг. 8 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий другой этап принципа нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 8 is a schematic top view illustrating another step in the principle of applying material in a sequential vase mode to produce a tubular wall with a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 8А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 8, иллюстрирующий дугой этап принципа нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 8A is a sectional view substantially along lines A-A of Fig. 8, illustrating an arc step of the principle of applying material in a sequential vase mode to obtain a tubular wall of a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 8В показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий проход для нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 8B is a schematic top view illustrating a passage for applying material in a sequential vase mode to produce a tubular wall with a width greater than the nominal width of the material layer;
на фиг. 8С показан вид, иллюстрирующий другой этап принципа нанесения материала в последовательном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 8C is a view illustrating another step of the principle of applying material in a sequential vase mode to produce a tubular wall with a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 9 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий этап принципа нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 9 is a schematic top view illustrating a step in the principle of applying material in a continuous mode to a vase to obtain a tubular wall with a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 9А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 9, иллюстрирующий этап принципа нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 9A is a sectional view substantially along lines A-A of Fig. 9, illustrating a step in the principle of applying material in a continuous mode to a vase to obtain a tubular wall of a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 9В показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий проход для нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 9B is a schematic top view illustrating a passage for applying material in a continuous mode to a vase to produce a tubular wall with a width greater than the nominal width of the material layer;
на фиг. 10 показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий другой этап принципа нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 10 is a schematic top view illustrating another step in the principle of applying material in a continuous mode to a vase to produce a tubular wall with a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 10А показан вид в разрезе по существу по линиям А-А фиг. 10, иллюстрирующий другой этап принципа нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 10A is a sectional view substantially along lines A-A of Fig. 10, illustrating another step in the principle of applying material in a continuous mode to a vase to produce a tubular wall of a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 10В показан схематичный вид сверху, иллюстрирующий проход для нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 10B is a schematic top view illustrating a passage for applying material in a continuous mode to a vase to produce a tubular wall with a width greater than the nominal width of the material layer;
на фиг. 10С показан схематичный вид, иллюстрирующий другой этап принципа нанесения материала в непрерывном режиме вазы для получения трубчатой стенки шириной, превышающей номинальную ширину слоя материала;Fig. 10C is a schematic view illustrating another step in the principle of applying material in a continuous mode to a vase to produce a tubular wall with a width exceeding the nominal width of the material layer;
на фиг. 11 показан схема, иллюстрирующая пример прохода экструзионной головки для способа, называемого «последовательный режим вазы», и для способа, называемого «непрерывный режим вазы»;Fig. 11 shows a diagram illustrating an example of the passage of an extrusion head for a method called "sequential vase mode" and for a method called "continuous vase mode";
на фиг. 12А показан вид сверху, иллюстрирующий другой пример выполнения стенки, ограничивающей два смежных канала и имеющей ширину, в два раза превышающую номинальную ширину слоя материала;Fig. 12A is a top view illustrating another example of the embodiment of a wall that limits two adjacent channels and has a width twice the nominal width of the material layer;
на фиг. 12В показан вид в разрезе по существу по линиям В-В фиг. 12А;Fig. 12B is a sectional view taken substantially along lines B-B of Fig. 12A;
на фиг. 13А показан вид в разрезе нанесения материала, осуществляемого при помощи известного способа, для пути с перекрещиванием до прохождения перекрещивания;Fig. 13A shows a sectional view of the application of material, carried out using a known method, for a path with an intersection before passing the intersection;
на фиг. 13В показан вид в разрезе нанесения материала, осуществляемого при помощи известного способа, для пути с перекрещиванием во время прохождения перекрещивания;Fig. 13B shows a sectional view of the application of material, carried out using a known method, for a path with a crossing during the passage of the crossing;
на фиг. 13С показан вид в разрезе нанесения материала, осуществляемого при помощи известного способа, для пути с перекрещиванием после прохождения перекрещивания;Fig. 13C shows a sectional view of the application of material, carried out using a known method, for a path with a crossing after passing the crossing;
на фиг. 13D показан вид в разрезе нанесения материала, осуществляемого при помощи известного способа, для пути с перекрещиванием с наложением на ранее нанесенный слой материала;Fig. 13D shows a sectional view of the application of material, carried out using a known method, for a crossing path with overlapping of a previously applied layer of material;
на фиг. 13Е показан вид в разрезе нанесения материала, осуществляемого при помощи известного способа, для пути с перекрещиванием с наложением на ранее нанесенный слой материала и с показом создания пустых пространств на уровне перекрещивания слоев материала;Fig. 13E shows a sectional view of the application of material carried out using a known method, for a path with crossing with overlapping of a previously applied layer of material and showing the creation of empty spaces at the level of crossing of the layers of material;
на фиг. 14 показан вид в разрезе примера варианта выполнения заявленного изобретения с нанесением слоев материала друг над другом по пластам в соответствии с принципом изобретения;Fig. 14 shows a sectional view of an example of an embodiment of the claimed invention with the application of layers of material one above the other in layers in accordance with the principle of the invention;
на фиг. 15 показан вид в наклонном разрезе монолитного неорганического пористого носителя с восемью фильтрационными каналами с показом отсутствия пустых пространств;Fig. 15 shows a view in an inclined section of a monolithic inorganic porous carrier with eight filtration channels showing the absence of empty spaces;
на фиг. 16 показан вид в прямом разрезе тангенциальной фильтрационной мембраны, содержащей монолитный неорганический пористый носитель с восемью каналами, стенка которых с закругленными периферийными рельефными элементами покрыта разделительным слоем.Fig. 16 shows a view in direct section of a tangential filtration membrane containing a monolithic inorganic porous carrier with eight channels, the wall of which with rounded peripheral relief elements is covered with a separating layer.
Описание вариантов осуществленияDescription of embodiments
Изобретение относится к изготовлению монолитного неорганического пористого носителя 1 (фиг. 2В), предназначенного для образования элемента разделения тангенциальным потоком обрабатываемой жидкой среды на фильтрат (или пермеат) и на ретентат и обычно называемого тангенциальной фильтрационной мембраной.The invention relates to the production of a monolithic inorganic porous carrier 1 (Fig. 2B), intended to form an element for separating a processed liquid medium by tangential flow into a filtrate (or permeate) and a retentate and commonly referred to as a tangential filtration membrane.
Во многих вариантах применения такие пористые носители имеют трубчатую геометрию и содержат по меньшей мере один канал или путь циркуляции для обрабатываемой текучей среды, оснащенный по меньшей мере одним разделительным слоем. Эти циркуляционные каналы имеют вход и выход. Обычно вход циркуляционных каналов расположен на одном из концов пористого носителя, причем этот конец выполняет роль зоны входа для обрабатываемой текучей среды, а их выход расположен на другом конце пористого носителя, выполняя роль зоны выхода для ретентата. Зона входа и зона выхода соединены сплошной периферической зоной, на уровне которой собирают пермеат.In many applications, such porous supports have a tubular geometry and contain at least one channel or circulation path for the fluid being processed, equipped with at least one separating layer. These circulation channels have an inlet and an outlet. Typically, the inlet of the circulation channels is located at one end of the porous support, with this end serving as the inlet zone for the fluid being processed, and the outlet is located at the other end of the porous support, serving as the outlet zone for the retentate. The inlet and outlet zones are connected by a continuous peripheral zone, where the permeate is collected.
В других вариантах применения пористые носители могут представлять собой блок, например, имеющий форму параллелепипеда, в котором выполнен по меньшей мере один канал или путь циркуляции для обрабатываемой текучей среды, оснащенный по меньшей мере одним разделительным слоем. Пермеат собирают на периферии блока или при помощи коллекторного контура, выполненного в блоке. В представленных примерах пористый носитель имеет трубчатую геометрию, но понятно, что изобретение можно применять для пористых носителей любой формы.In other application scenarios, porous carriers may comprise a block, such as a parallelepiped, containing at least one channel or circulation path for the fluid being processed, equipped with at least one separating layer. Permeate is collected at the periphery of the block or via a collector circuit within the block. In the examples presented, the porous carrier has a tubular geometry, but it is clear that the invention can be applied to porous carriers of any shape.
Когда пористость (средний диаметр пор) спеченного носителя адаптирована для обрабатываемой текучей среды (порог фильтрации), указанный спеченный носитель можно напрямую использовать при фильтрации, и его называют авто-мембраной или гомогенной мембраной.When the porosity (average pore diameter) of the sintered carrier is adapted to the fluid being processed (filtration threshold), said sintered carrier can be directly used in filtration and is called an auto-membrane or homogeneous membrane.
Когда пористость спеченного носителя не адаптирована для обрабатываемой текучей среды (поры слишком большого диаметра по отношению к необходимому порогу фильтрации), стенки циркуляционного канала или циркуляционных каналов покрывают по меньшей мере одним сплошным разделительным слоем, который обеспечивает фильтрацию обрабатываемой текучей среды. Разделительный слой или разделительные слои являются пористыми, и средний диаметр пор в них меньше среднего диаметра пор носителя. Разделительный слой можно наносить непосредственно на пористый носитель (случай однослойного разделительного слоя) или на промежуточный слой с меньшим средним диаметром пор, который нанесен непосредственно на пористый носитель (случай многослойного разделительного слоя). Таким образом, часть обрабатываемой текучей среды проходит через разделительный слой или разделительные слои и через пористый носитель, и эта обработанная часть текучей среды, называемая пермеатом, стекает по наружной периферической поверхности пористого носителя. Разделительные слои ограничивают поверхность фильтрационной мембраны, которая предназначена для вхождения в контакт с обрабатываемой текучей средой и в контакте с которой циркулирует обрабатываемая текучая среда.When the porosity of the sintered support is not adapted to the fluid being processed (the pore diameter is too large relative to the required filtration threshold), the walls of the circulation channel(s) are coated with at least one continuous separating layer, which ensures the filtration of the fluid being processed. The separating layer(s) are porous, and the average pore diameter in them is smaller than the average pore diameter of the support. The separating layer can be applied directly to the porous support (the case of a single-layer separating layer) or to an intermediate layer with a smaller average pore diameter applied directly to the porous support (the case of a multilayer separating layer). Thus, a portion of the fluid being processed passes through the separating layer(s) and through the porous support, and this treated portion of the fluid, called the permeate, flows down the outer peripheral surface of the porous support. The separation layers define the surface of the filtration membrane which is intended to come into contact with the fluid being processed and in contact with which the fluid being processed circulates.
Пористость монолитного неорганического носителя 1 является открытой, то есть она образует сеть пор, взаимосвязанных в трех измерениях, что позволяет текучей среде, фильтруемой разделительным слоем или разделительными слоями, проходить через пористый носитель, и обеспечивает ее сбор на периферии. Таким образом, пермеат собирают на периферической поверхности пористого носителя.The porosity of monolithic inorganic support 1 is open, meaning it forms a network of pores interconnected in three dimensions, allowing the fluid filtered by the separating layer(s) to pass through the porous support and ensure its collection at the periphery. Thus, the permeate is collected on the peripheral surface of the porous support.
Монолитный неорганический пористый носитель 1 имеет средний диаметр пор в диапазоне от 0,5 мкм до 50 мкм. Пористость монолитного неорганического пористого носителя 1 составляет от 10 до 60%, предпочтительно от 20 до 50%.The monolithic inorganic porous carrier 1 has an average pore diameter in the range of 0.5 μm to 50 μm. The porosity of the monolithic inorganic porous carrier 1 ranges from 10 to 60%, preferably from 20 to 50%.
Под средним диаметром пор следует понимать значение d50 объемного распределения, при котором 50% общего объема пор соответствуют объему пор диаметром, меньшим этого значения d50. Объемное распределение является кривой (аналитическая функция), отображающей частоты объемов пор в зависимости от их диаметра. Значение d50 соответствует медиане, делящей на две равные части площадь, находящуюся под кривой частот, полученной посредством ртутной порометрии. В частности, можно применять технологию, описанную в норме ISO 15901-1:2005, в том, что касается измерения методом порометрии.The mean pore diameter is the d50 value of the volume distribution, where 50% of the total pore volume corresponds to pores with a diameter smaller than this d50 value. The volume distribution is a curve (analytical function) displaying the frequencies of pore volumes as a function of their diameter. The d50 value corresponds to the median, which divides the area under the frequency curve obtained by mercury porosimetry into two equal parts. Specifically, the technology described in ISO 15901-1:2005 can be used for porosimetry measurements.
Пористость носителя, которая соответствует общему объему взаимосвязанных пустот (пор), присутствующих в рассматриваемом материале, является физической величиной, составляющей от 0 до 1 или от 0% до 100%. Она обуславливает способности пропускания и задержания указанного пористого корпуса. Чтобы материал можно было использовать при фильтрации, общая взаимосвязанная открытая пористость должна быть как минимум 10% для удовлетворительного расхода фильтрата через носитель и как максимум 60%, чтобы гарантировать соответствующую механическую прочность пористого носителя.The porosity of a carrier, which corresponds to the total volume of interconnected voids (pores) present in the material under consideration, is a physical quantity ranging from 0 to 1, or from 0% to 100%. It determines the transmission and retention capacities of a given porous body. For a material to be suitable for filtration, the total interconnected open porosity must be at least 10% to ensure satisfactory filtrate flow through the carrier and at most 60% to ensure adequate mechanical strength of the porous carrier.
Пористость пористого носителя можно измерить, определяя объем жидкости, содержащейся в указанном пористом корпусе, и взвешивая указанный материал до и после продолжительного пребывания в указанной жидкости (вода или другой растворитель). С учетом известности соответствующих значений плотности рассматриваемого материала и используемой жидкости массовая разность, преобразованная в объем, напрямую отображает объем пор и, следовательно, общую открытую пористость пористого носителя.The porosity of a porous support can be measured by determining the volume of liquid contained within the porous body and weighing the material before and after prolonged exposure to the liquid (water or another solvent). Given the known density values of the material and the liquid used, the mass difference, converted to volume, directly reflects the pore volume and, therefore, the total open porosity of the porous support.
Точно измерять общую открытую пористость пористого корпуса можно также при помощи других методов, среди которых можно указать:The total open porosity of a porous body can also be accurately measured using other methods, including:
- ртутную порометрию (вышеупомянутая норма ISO 15901-1): нагнетаемая под давлением ртуть заполняет поры, доступные при применяемых значениях давления, при этом объем нагнетаемой ртути соответствует объему пор;- mercury porosimetry (the above-mentioned ISO 15901-1 standard): mercury injected under pressure fills the pores accessible at the applied pressure values, and the volume of mercury injected corresponds to the volume of the pores;
- диффузию на малых углах: этот метод, который использует испускание либо нейтронов, либо рентгеновских лучей, дает доступ к средним физическим количествам на целом образце. Измерение состоит в анализе углового распределения интенсивности, рассеиваемой образцом;- small-angle diffusion: this method, which uses either neutron or X-ray emission, provides access to average physical quantities across the entire sample. The measurement consists of analyzing the angular distribution of the intensity scattered by the sample;
- анализ двухмерных изображений, получаемых при помощи микроскопа;- analysis of two-dimensional images obtained using a microscope;
- анализ трехмерных изображений, получаемых при помощи рентгеновской томографии.- analysis of three-dimensional images obtained using X-ray tomography.
Кроме того, монолитный неорганический пористый носитель 1 имеет механическую прочность, адаптированную для использования при тангенциальной фильтрации. В частности, монолитный неорганический пористый носитель 1 выдерживает внутреннее давление не менее 10 бар без разрыва, предпочтительно не менее 30 бар без разрыва и еще предпочтительнее - не менее 50 бар без разрыва. Согласно изобретению, давление разрыва соответствует давлению, при котором носитель, поры которого были предварительно закупорены (термоплавким материалом, например, парафином), разрывается под действием внутреннего избыточного давления по отношению к наружному давлению носителя, причем это избыточное давление применяют в каналах с водой, при этом наружное давление носителя является атмосферным давлением.Furthermore, the monolithic inorganic porous carrier 1 has a mechanical strength adapted for use in tangential filtration. In particular, the monolithic inorganic porous carrier 1 withstands an internal pressure of at least 10 bar without rupture, preferably at least 30 bar without rupture, and even more preferably at least 50 bar without rupture. According to the invention, the rupture pressure corresponds to the pressure at which the carrier, the pores of which have been previously sealed (with a hot-melt material, such as paraffin), ruptures under the action of an internal excess pressure relative to the external pressure of the carrier, wherein this excess pressure is applied in channels containing water, wherein the external pressure of the carrier is atmospheric pressure.
Как следует, в частности, из фиг. 2А, заявленный монолитный неорганический пористый носитель 1 получают путем спекания манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2, которую строят в соответствии с цифровой 3D-моделью М посредством наложения друг на друга слоев 3 материала композиции 4 в общем смысле. Слои материала наносят при помощи машины трехмерной печати, содержащей горизонтальную площадку 5, которая может быть съемной и над которой расположена по меньшей мере одна экструзионная головка 6.As follows, in particular, from Fig. 2A, the claimed monolithic inorganic porous support 1 is obtained by sintering a manipulated, unprocessed three-dimensional structure 2, which is constructed in accordance with a digital 3D model M by superimposing layers 3 of the material of the composition 4 in a general sense. The layers of material are applied using a three-dimensional printing machine containing a horizontal platform 5, which can be removable and above which at least one extrusion head 6 is located.
Под «необработанной трехмерной структурой» 2 следует понимать трехмерную структуру, полученную посредством наложения друг на друга слоев композиции 4, которые еще не подвергались спеканию. Форму и размеры этой необработанной структуры определяют уровень за уровнем при помощи цифровой 3D-модели М, как будет более подробно пояснено в нижеследующем описании. Цифровую 3D-модель М определяют при помощи компьютерной программы, чтобы построить необработанную трехмерную структуру 2.The "raw three-dimensional structure" 2 refers to the three-dimensional structure obtained by superimposing layers of the composition 4 that have not yet been sintered. The shape and dimensions of this raw structure are determined layer by layer using a digital 3D model M, as will be explained in more detail in the following description. The digital 3D model M is determined using a computer program to construct the raw three-dimensional structure 2.
Эту необработанную трехмерную структуру 2 называют «манипулируемой», так как она не деформируется под своим собственным весом и даже может иметь наклоны, благодаря ускоренному упрочнению, которое придает ей стойкую во времени механическую прочность, что будет пояснено ниже. Таким образом, эту необработанную трехмерную структуру 2 можно снять с горизонтальной площадки 5 и переместить без деформации и без поломки, в частности, для осуществления последующей операции термической обработки, необходимой, чтобы получить пористый носитель в соответствии с изобретением.This unprocessed three-dimensional structure 2 is called "manipulable" because it does not deform under its own weight and can even tilt, thanks to accelerated hardening, which imparts durable mechanical strength, as will be explained below. Thus, this unprocessed three-dimensional structure 2 can be removed from the horizontal platform 5 and moved without deformation or breakage, particularly for the subsequent heat treatment required to obtain the porous support according to the invention.
Экструзионная головка 6 машины трехмерной печати установлена на механизме перемещения (на фигурах не показан), таком как робот, обеспечивающий ее перемещение по меньшей мере по трем осям (х, у и z). Таким образом, экструзионную головку 6 можно перемещать в горизонтальной плоскости (оси х и у) и вертикально (ось z) при помощи механизма перемещения, управляемого компьютером R любого известного типа. Этот компьютер R задает движения системы перемещения и, следовательно, экструзионной головки 6 по траектории, заранее определенной в зависимости от цифровой 3D-модели М, на основании которой выполнена необработанная трехмерная структура 1, которая позволяет получить монолитный неорганический пористый носитель 1 после операции термической обработки.The extrusion head 6 of the three-dimensional printing machine is mounted on a movement mechanism (not shown in the figures), such as a robot, which ensures its movement along at least three axes (x, y, and z). Thus, the extrusion head 6 can be moved in the horizontal plane (x and y axes) and vertically (z axis) using a movement mechanism controlled by a computer R of any known type. This computer R controls the movements of the movement system and, consequently, the extrusion head 6 along a trajectory predetermined depending on a digital 3D model M, on the basis of which the raw three-dimensional structure 1 is created, which allows for the production of a monolithic inorganic porous carrier 1 after the thermal processing operation.
Экструзионная головка 6 содержит вход для композиции 4 (на фигурах не показан). Как показано на фигурах, экструзионная головка 6 содержит также экструзионное сопло, имеющее калиброванное пропускное отверстие 8, из которого выходит композиция 4. Экструзионная головка 6 и, следовательно, экструзионное сопло с его пропускным отверстием 8, неподвижно соединенное с экструзионной головкой 6, являются подвижными в соответствии с указанной цифровой 3D-моделью М. Согласно заявленному способу, композиция 4 поступает в экструзионную головку 6 машины через вход, чтобы питать пропускное отверстие 8. Для подачи композиции 4 в головку 6 через этот вход можно применять механическое действие.The extrusion head 6 comprises an inlet for the composition 4 (not shown in the figures). As shown in the figures, the extrusion head 6 also comprises an extrusion nozzle having a calibrated through-hole 8, from which the composition 4 emerges. The extrusion head 6 and, consequently, the extrusion nozzle with its through-hole 8, fixedly connected to the extrusion head 6, are movable in accordance with the said digital 3D model M. According to the claimed method, the composition 4 enters the extrusion head 6 of the machine through the inlet to feed the through-hole 8. A mechanical action can be used to feed the composition 4 into the head 6 through this inlet.
В рамках изобретения под «механическим действием» следует понимать приложение давления при помощи любого известного технического средства, например, поршня, насоса или шнека. Этот этап может быть осуществлен обычным способом, известным специалисту в данной области, и его описание опускается. Материал выходит из пропускного отверстия 8, благодаря определенному давлению, превышающему атмосферное давление. В результате создается сила, которая действует вертикально на материал сверху вниз в момент экструзии и которая участвует в сдавливании материала между экструзионным соплом и нижележащим затвердевшим материалом.For the purposes of this invention, "mechanical action" refers to the application of pressure using any known technical means, such as a piston, pump, or screw. This step can be performed in a conventional manner known to those skilled in the art and is not described here. The material exits the orifice 8 due to a predetermined pressure exceeding atmospheric pressure. This creates a force that acts vertically downward on the material during extrusion and compresses the material between the extrusion nozzle and the underlying solidified material.
Пропускное отверстие 8 расположено напротив и вблизи горизонтальной площадки 5. Пропускное отверстие 8 является подвижным в вертикальном направлении (то есть вдоль оси z) и в горизонтальном направлении (то есть вдоль осей х и у) относительно горизонтальной площадки 5, которая является неподвижной. Вертикальное и/или горизонтальное перемещение пропускного отверстия 8 относительно неподвижной горизонтальной площадки обеспечивает построение в соответствии с цифровой 3D-моделью М манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2 в положении опоры на горизонтальную площадку 5 в результате экструзии валика материала через пропускное отверстие 8.The through-hole 8 is located opposite and near the horizontal platform 5. The through-hole 8 is movable in the vertical direction (i.e., along the z-axis) and in the horizontal direction (i.e., along the x- and y-axes) relative to the horizontal platform 5, which is fixed. The vertical and/or horizontal movement of the through-hole 8 relative to the fixed horizontal platform ensures the construction, in accordance with the digital 3D model M, of a manipulated, unprocessed three-dimensional structure 2 in a position of support on the horizontal platform 5 as a result of the extrusion of a bead of material through the through-hole 8.
Согласно варианту осуществления, представленному на фигурах, экструзионная головка 6 оснащена пропускным отверстием 8 круглого сечения. Когда пропускное отверстие 8 имеет круглое сечение, его диаметр предпочтительно составляет от 0,1 мм до 10 мм, предпочтительно от 0,1 мм до 1 мм и еще предпочтительнее от 0,2 до 0,8 мм.According to the embodiment shown in the figures, the extrusion head 6 is equipped with a circular cross-section orifice 8. When the orifice 8 has a circular cross-section, its diameter is preferably from 0.1 mm to 10 mm, preferably from 0.1 mm to 1 mm, and even more preferably from 0.2 mm to 0.8 mm.
Можно напомнить, что заранее определенному расходу экструзии Е (например, определяемому скоростью вращения экструзионного шнека), заранее определенной скорости перемещения F экструзионной головки 6 и номинальной высоте е перемещения экструзионной головки 6 соответствует нанесенный слой материала 3 с номинальной шириной L таким образом, что L=f(E, F, e). Слой материала 3 имеет прямое сечение с номинальной высотой е, определенной между по существу плоской верхней поверхностью 3s и по существу плоской нижней поверхностью 3i, соединенными между собой с двух сторон двумя краями 3b закругленной формы (фиг. 3 и 3А). Номинальную ширину L слоя материала 3 можно, таким образом, регулировать или изменять в зависимости от скорости перемещения F и/или от расхода экструзии экструзионной головки 6.It may be recalled that a predetermined extrusion flow rate E (e.g. determined by the rotation speed of the extrusion screw), a predetermined movement speed F of the extrusion head 6 and a nominal height e of movement of the extrusion head 6 correspond to an applied layer of material 3 with a nominal width L such that L=f(E, F, e). The layer of material 3 has a straight cross-section with a nominal height e defined between a substantially flat upper surface 3s and a substantially flat lower surface 3i, connected to each other on both sides by two edges 3b of a rounded shape (Figs. 3 and 3A). The nominal width L of the layer of material 3 can thus be adjusted or changed depending on the movement speed F and/or on the extrusion flow rate of the extrusion head 6.
На экструзионную головку 6 подают композицию 4, например, в виде пасты, как описано, например, в документе РСТ/FR2019/052807, или в виде нити или гранул, как описано в документе РСТ/FR2019/052808. Предпочтительно композиция 4 является неорганической композицией, как правило, керамической и/или металлической природы.A composition 4 is fed to the extrusion head 6, for example in the form of a paste, as described, for example, in document PCT/FR2019/052807, or in the form of a thread or granules, as described in document PCT/FR2019/052808. Preferably, the composition 4 is an inorganic composition, typically of a ceramic and/or metallic nature.
Керамическая композиция состоит из порошкообразной твердой неорганической фазы и из матрицы.The ceramic composition consists of a powdered solid inorganic phase and a matrix.
Порошкообразная твердая неорганическая фаза керамической композиции включает в себя один или несколько твердых неорганических материалов, каждый в виде частиц со средним диаметром, составляющим от 0,1 мкм до 150 мкм.The powdered solid inorganic phase of the ceramic composition includes one or more solid inorganic materials, each in the form of particles with an average diameter ranging from 0.1 μm to 150 μm.
Понятие среднего диаметра связано с понятием распределения частиц. Действительно, частицы порошка редко имеют единый или монодисперсный размер, и, следовательно, порошок чаще всего характеризуется распределением размеров своих частиц. При этом средний диаметр соответствует среднему значению распределения размеров частиц. Распределение можно представить по-разному, например, в виде частотного или совокупного распределения. Некоторые методы измерения дают напрямую распределение, основанное на количестве (микроскопия) или на массе (просеивание). Средний размер является мерой центральной тенденции.The concept of mean diameter is related to the concept of particle distribution. Indeed, powder particles rarely have a uniform or monodisperse size, and therefore, a powder is most often characterized by its particle size distribution. The mean diameter corresponds to the mean value of the particle size distribution. Distribution can be represented in various ways, for example, as a frequency or cumulative distribution. Some measurement methods directly yield a distribution based on count (microscopy) or mass (sieving). The mean size is a measure of central tendency.
Среди наиболее часто применяемых центральных тенденций можно указать моду, медиану и среднее арифметическое значение. Мода является наиболее частым диаметром в распределении: она соответствует максимуму частотной кривой. Медиана отображает значение, от которого общая частота значений является одинаковой как выше, так и ниже (иначе говоря, количество или общий объем частиц является одинаковым как под медианой, так и над ней). Среднее значение получают путем вычислений, и оно определяет точку, в которой моменты распределения являются равными. При нормальном распределении мода, среднее значение и медиана совпадают, тогда как они различаются в случае ненормального распределения.Among the most commonly used central tendencies are the mode, median, and mean. The mode is the most frequent diameter in a distribution: it corresponds to the maximum of the frequency curve. The median represents the value at which the overall frequency of values is the same both above and below the median (in other words, the number or total volume of particles is the same both below and above the median). The mean is calculated and defines the point at which the moments of the distribution are equal. In a normal distribution, the mode, mean, and median coincide, while they differ in a non-normal distribution.
Средний диаметр частиц, входящих в состав неорганического порошка, измеряют, в частности, посредством:The average diameter of the particles included in the inorganic powder is measured, in particular, by:
- дифракции лазерного света для частиц от 3 мм и примерно до 0,1 мкм:- laser light diffraction for particles from 3 mm to approximately 0.1 µm:
- осаждения/центрифугирования;- sedimentation/centrifugation;
- динамического рассеяния света (на английском языке «dynamic light scattering (DLS)» для частиц от 0,5 мкм до 2 нм;- dynamic light scattering (DLS) for particles from 0.5 µm to 2 nm;
- анализа изображений, получаемых при помощи микроскопа;- analysis of images obtained using a microscope;
- дифракции рентгеновских лучей на малых углах.- small-angle X-ray diffraction.
Под зернистостью порошкообразной твердой неорганической фазы следует понимать размеры частиц, составляющих порошкообразную твердую неорганическую фазу. Зернистость характеризуется описанным выше понятием среднего диаметра.The granularity of a solid inorganic powder phase refers to the size of the particles that make up the solid inorganic powder phase. Granularity is characterized by the concept of average diameter described above.
Чаще всего керамическая композиция содержит в качестве порошкообразного(ых) керамического(их) материала(ов) отдельно или в смеси оксид и/или нитрид, и/или карбид. В частности, в качестве примеров оксидов, которые можно применять в рамках изобретения, можно указать металлические оксиды и, в частности, оксид титана, оксид циркония, оксид алюминия и оксид магния, при этом наиболее предпочтительным является оксид титана. В качестве примеров карбидов можно указать, в частности, металлические карбиды и, в частности, карбид кремния. В качестве примеров нитридов, которые можно использовать, можно указать, в частности, нитрид титана, нитрид алюминия и нитрид бора. Согласно предпочтительному варианту выполнения, керамическая композиция содержит по меньшей мере один оксид металла в качестве неорганического порошкообразного материала и предпочтительно оксид титана.Most often, the ceramic composition comprises, as the powdered ceramic material(s), alone or in a mixture, an oxide and/or nitride and/or a carbide. In particular, examples of oxides that can be used in the context of the invention include metallic oxides, in particular titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, and magnesium oxide, with titanium oxide being the most preferred. Examples of carbides that can be mentioned include, in particular, metallic carbides, in particular silicon carbide. Examples of nitrides that can be used include, in particular, titanium nitride, aluminum nitride, and boron nitride. According to a preferred embodiment, the ceramic composition comprises at least one metal oxide as the inorganic powdered material, and preferably titanium oxide.
В рамках изобретения керамическая композиция имеет реологические свойства, адаптированные с точки зрения пластичности для ее экструзии через экструзионную головку 6.Within the framework of the invention, the ceramic composition has rheological properties adapted in terms of plasticity for its extrusion through the extrusion head 6.
Согласно первому варианту осуществления, матрица керамической композиции содержит один или несколько растворителей. Растворитель или растворители могут быть водными или органическими. Например, можно указать воду, этанол или ацетон.According to the first embodiment, the matrix of the ceramic composition contains one or more solvents. The solvent or solvents may be aqueous or organic. For example, water, ethanol, or acetone may be used.
Кроме того, матрица керамической композиции содержит одну или несколько органических добавок. Предпочтительно эти органические добавки являются растворимыми в растворителе или растворителях матрицы. В рамках изобретения в качестве неограничивающих примеров можно выбрать органическую добавку или органические добавки среди:Furthermore, the matrix of the ceramic composition contains one or more organic additives. Preferably, these organic additives are soluble in the matrix solvent or solvents. Within the scope of the invention, the organic additive or additives may be selected from, but are not limited to, the following:
- связующих, например, среди эфиров целлюлозы, таких как гидроксиэтилцеллюлоза, которая является полимером, гуммиарабик, который является полисахаридом, или полиэтиленгликоль (PEG);- binders, for example, among cellulose ethers such as hydroxyethyl cellulose, which is a polymer, gum arabic, which is a polysaccharide, or polyethylene glycol (PEG);
- смазок и пластификаторов, например, среди глицерина или стеариновой кислоты;- lubricants and plasticizers, such as glycerin or stearic acid;
- загустителей и гелеобразующих веществ, например, среди ксантановой смолы или агар-агара, который является полимером галактозы.- thickeners and gelling agents, such as xanthan gum or agar-agar, which is a polymer of galactose.
Массовое содержание порошкообразного(ых) неорганического(их) материала(ов) в керамической композиции может составлять от 50 до 90%, предпочтительно от 80 до 85 мас. % по отношению к общей массе керамической композиции.The mass content of powdered inorganic material(s) in the ceramic composition may be from 50 to 90%, preferably from 80 to 85 wt.% relative to the total mass of the ceramic composition.
Массовое содержание матрицы в керамической композиции может составлять от 10 мас. % до 50 мас. %, предпочтительно от 15 до 20 мас. % по отношению к общей массе керамической композиции.The mass content of the matrix in the ceramic composition may be from 10 wt.% to 50 wt.%, preferably from 15 to 20 wt.% relative to the total mass of the ceramic composition.
Эта керамическая композиция является не порошком, а пастой. Реологию этой керамической композиции можно регулировать, благодаря зернистости порошкообразной твердой неорганической фазы и/или благодаря природе органических добавок, если они присутствуют, и/или благодаря их соответствующим пропорциям. Действительно, например, использование матрицы, содержащей одну или несколько органических добавок, растворимых в одном или нескольких растворителях, включенных в матрицу, позволяет изменять реологию керамической композиции.This ceramic composition is not a powder, but a paste. The rheology of this ceramic composition can be controlled by the granularity of the powdered solid inorganic phase and/or by the nature of the organic additives, if present, and/or by their respective proportions. Indeed, for example, using a matrix containing one or more organic additives soluble in one or more solvents incorporated into the matrix allows for the rheology of the ceramic composition to be modified.
Согласно второму варианту осуществления, керамическая композиция содержит матрицу, состоящую из одного или нескольких термоплавких полимеров. Матрица имеет органическую природу и является твердой при окружающей температуре.According to a second embodiment, the ceramic composition comprises a matrix consisting of one or more thermoplastic polymers. The matrix is organic in nature and is solid at ambient temperature.
Под «термоплавким полимером» следует понимать полимер, который размягчается под действием тепла.By "hot-melt polymer" we mean a polymer that softens when exposed to heat.
В качестве примеров термоплавкого полимера, который можно применять в рамках изобретения, можно указать используемые отдельно или в смеси в матрице полимеры или семейство следующих, возможно, функционализированных полимеров: полимолочная кислота (PLA), поливиниловый спирт (PVA), акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), полипропилен (PP), полиэтилен, полиэтилентерефталат (РЕТ), термопластичный полиуретан (TPU), полиолефины, термопластичные эластомеры (ТРЕ), эластомеры на основе полиолефина (ТРЕ-О) и поликарбонат.As examples of a hot-melt polymer that can be used within the framework of the invention, the following polymers or a family of polymers, possibly functionalized, used alone or in a mixture in a matrix, can be mentioned: polylactic acid (PLA), polyvinyl alcohol (PVA), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polypropylene (PP), polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), thermoplastic polyurethane (TPU), polyolefins, thermoplastic elastomers (TPE), elastomers based on polyolefin (TPE-O) and polycarbonate.
Массовое содержание порошкообразного(ых) неорганического(их) материала(ов) в керамической композиции может составлять от 40 до 95%, предпочтительно от 70 до 90 мас. % по отношению к общей массе керамической композиции.The mass content of powdered inorganic material(s) in the ceramic composition may be from 40 to 95%, preferably from 70 to 90 wt.% relative to the total mass of the ceramic composition.
В рамках изобретения керамическую композицию, предпочтительно в гранулированном виде, предварительно нагревают выше по потоку таким образом, чтобы термоплавкий полимер или термоплавкие полимеры размягчились и чтобы керамическую композицию можно было подвергнуть давлению на входе пропускного отверстия 8. Обычно экструзионную головку 6 нагревают для размягчения термоплавкого полимера или термоплавких полимеров, что обеспечивает экструзию керамической композиции. Температуру экструзионной головки 6 и пропускного отверстия 8 можно регулировать в зависимости от термоплавкого полимера или термоплавких полимеров, присутствующих в керамической композиции.In the context of the invention, the ceramic composition, preferably in granular form, is preheated upstream so that the hot-melt polymer or polymers soften and the ceramic composition can be subjected to pressure at the inlet of the outlet orifice 8. Typically, the extrusion head 6 is heated to soften the hot-melt polymer or polymers, which enables the extrusion of the ceramic composition. The temperature of the extrusion head 6 and the outlet orifice 8 can be adjusted depending on the hot-melt polymer or polymers present in the ceramic composition.
Кроме того, в рамках изобретения можно регулировать реологию керамической композиции при помощи ее температуры в экструзионной головке, и/или благодаря зернистости порошкообразной твердой неорганической фазы, и/или благодаря природе термоплавкого полимера или термоплавких полимеров, и/или благодаря их пропорциям.Furthermore, within the framework of the invention, it is possible to regulate the rheology of the ceramic composition by means of its temperature in the extrusion head, and/or due to the granularity of the powdered solid inorganic phase, and/or due to the nature of the hot-melt polymer or hot-melt polymers, and/or due to their proportions.
Согласно изобретению, задачей заявленного способа является разбиение цифровой траектории на пути, чтобы избегать во внутренней части манипулируемой необработанной трехмерной структуры создания пространств между закругленными краями наносимого слоя материала и краями ранее нанесенного слоя материала. Как показано на фиг. 1А и 1С, нанесение валиков материала смежно в известных решениях приводит к созданию пустот материала, остающихся после спекания и могущих снизить механическую прочность монолитного неорганического пористого носителя.According to the invention, the claimed method divides the digital trajectory into paths to avoid creating spaces between the rounded edges of the applied material layer and the edges of the previously applied material layer within the interior of the manipulated, unprocessed three-dimensional structure. As shown in Figs. 1A and 1C, applying material beads contiguously in prior art solutions results in the creation of material voids that remain after sintering and can reduce the mechanical strength of the monolithic inorganic porous support.
В рамках заявленного способа определяют, содержит ли манипулируемая необработанная трехмерная структура стенку, ширина которой равна или превышает номинальную ширину L слоя материала. Действительно, для стенки, ширина которой равна номинальной ширине L слоя материала, эту стенку строят при помощи слоев материала, исключительно располагаемых друг над другом без создания пустот. Для этого типа стенок можно отметить, что нанесение друг над другом валиков материала не приводит к созданию пустот кроме случая, когда траектория содержит путь с перекрещиванием, как показано на фиг. 6 и 13А-13Е.The claimed method determines whether the manipulated, unprocessed three-dimensional structure contains a wall whose width is equal to or greater than the nominal width L of the material layer. Indeed, for a wall whose width is equal to the nominal width L of the material layer, this wall is constructed using layers of material that are exclusively placed one above the other without creating voids. For this type of wall, it can be noted that applying beads of material one above the other does not create voids except when the trajectory contains a crossover, as shown in Figs. 6 and 13A-13E.
Как показано на фиг. 6, путь с перекрещиванием проявляется для структуры в виде восьмерки. Перекрещивание проявляется, когда траектория, замыкающаяся на себе, возвращается в точку I с координатами Xi, Yi, где ранее уже был нанесен слой материала (порядка n-1). Прохождение через слой материала (порядка n-1) происходит при соприкосновении наносимого в данный момент слоя материала (порядка n) с ранее нанесенным слоем материала (фиг. 13А). При этом экструзию материала останавливают (фиг. 13В), осуществляют скольжение на этой же высоте и возобновляют экструзию после выходного края слоя порядка n-1 (фиг. 13С). Слой материала порядка n+1 накладывается на слой материала порядка n-1, и прохождение этого нового слоя материала осуществляют, как было описано выше (фиг. 13D и 13Е). Как наглядно показано на фигурах, расположение рядом друг с другом или прилегание двух слоев материала во время полного прохождения через ранее нанесенный слой материала приводит к созданию пустот.As shown in Fig. 6, a crossover path occurs for a figure-eight structure. Crossover occurs when a self-closing trajectory returns to point I with coordinates Xi, Yi, where a layer of material (of order n-1) has already been deposited. Passage through the layer of material (of order n-1) occurs when the currently deposited layer of material (of order n) comes into contact with the previously deposited layer of material (Fig. 13A). In this case, the extrusion of the material is stopped (Fig. 13B), sliding is performed at the same height, and extrusion is resumed after the exit edge of layer of order n-1 (Fig. 13C). A layer of material of order n+1 is superimposed on a layer of material of order n-1, and the passage of this new layer of material is performed as described above (Figs. 13D and 13E). As clearly shown in the figures, placing two layers of material next to each other or adjacent to each other while completely passing through a previously applied layer of material results in the creation of voids.
Фиг. 3 и 3А иллюстрируют первый вариант осуществления, называемый конвенциональным режимом, для получения стенки 10, ширина которой равна номинальной ширине L слоя материала. Например, эта стенка 10 является частью манипулируемой необработанной трехмерной структуры в виде носителя круглого сечения, имеющего единственный центральный канал 11. Траектория экструзионной головки 6 разбивается на круговые пути со средним диаметром D, каждый длиной nD и с возвышением экструзионной головки 6 вдоль вертикальной оси с инкрементами е на каждом обороте. Экструзионная головка 6 совершает первый оборот t, будучи расположенной с возвышением е относительно уровня площадки 5, и экструдирует постоянное количество материала для нанесения слоя материала постоянной толщины е. Например, стрелка F показывает в данном случае направление против часовой стрелки перемещения экструзионной головки 6. По завершении первого оборота t экструзионная головка 6 поднимается на высоту, равную толщине е слоя материала, чтобы совершить второй оборот, экструдируя постоянное количество материала для непрерывного нанесения материала. Слои материала 3 наносятся, таким образом, вплоть до получения требуемой высоты.Fig. 3 and 3A illustrate a first embodiment, called the conventional mode, for producing a wall 10 whose width is equal to the nominal width L of the material layer. For example, this wall 10 is part of a manipulated unprocessed three-dimensional structure in the form of a carrier of a circular cross-section, having a single central channel 11. The trajectory of the extrusion head 6 is divided into circular paths with an average diameter D, each of length nD and with an elevation of the extrusion head 6 along the vertical axis with increments e at each revolution. The extrusion head 6 makes the first revolution t, being positioned at an elevation e relative to the level of the platform 5, and extrudes a constant amount of material to deposit a layer of material of constant thickness e. For example, arrow F in this case indicates the counterclockwise direction of movement of the extrusion head 6. Upon completion of the first revolution t, the extrusion head 6 rises to a height equal to the thickness e of the material layer to make a second revolution, extruding a constant amount of material to continuously deposit the material. Layers of material 3 are thus deposited until the required height is reached.
Фиг. 4 и 4А иллюстрируют второй вариант осуществления, называемый режимом вазы, для получения стенки 10, например, в случае манипулируемой необработанной трехмерной структуры в виде носителя круглого сечения, имеющего единственный центральный канал 11. Траектория экструзионной головки 6 разбивается на круговые пути со средним диаметром D, каждый длиной nD и с возвышением экструзионной головки 6 вдоль вертикальной оси с последовательными инкрементами таким образом, чтобы в конце каждого оборота сумма этих инкрементов позволяла получать на каждом обороте слой материала толщиной е.Fig. 4 and 4A illustrate a second embodiment, called a vase mode, for producing a wall 10, for example in the case of a manipulated raw three-dimensional structure in the form of a carrier of circular cross-section having a single central channel 11. The trajectory of the extrusion head 6 is divided into circular paths with an average diameter D, each of length nD and with an elevation of the extrusion head 6 along the vertical axis with successive increments in such a way that at the end of each revolution the sum of these increments makes it possible to obtain a layer of material of thickness e at each revolution.
Во время первого оборота t экструзионная головка экструдирует возрастающее количество материала, пропорциональное ее положению на наклонной плоскости со средним наклоном e/nD. По завершении первого оборота t экструзионная головка 6 совершает второй оборот, следуя тому же среднему наклону e/nD и экструдируя постоянное количество материала для непрерывного нанесения материала с возвышением, соответствующим толщине е. Слои материала 3 наносятся, таким образом, вплоть до получения требуемой высоты.During the first revolution t, the extrusion head extrudes an increasing amount of material proportional to its position on the inclined plane with an average slope e/nD. Upon completion of the first revolution t, the extrusion head 6 makes a second revolution, following the same average slope e/nD and extruding a constant amount of material for a continuous deposition of material with an elevation corresponding to the thickness e. Layers of material 3 are thus deposited until the required height is achieved.
В случае, когда манипулируемая необработанная трехмерная структура содержит стенку, ширина которой превышает номинальную ширину L слоя материала, то слои материала необходимо выполнять в соответствии с изобретением, поскольку становится невозможным строить эту стенку только при помощи наложенных друг на друга слоев материала. Согласно изобретению, в рамках способа предусмотрено перемежение слоев материала 3 как результат чередования посредством перекрывания(ий) и/или перекрещивания(ий) указанных слоев материала 3, чтобы избегать создания пространств или пустот между слоями материала. Под перемежением в рамках изобретения следует понимать, независимо от определения, которое дает квантовая механика, состояние слоев материала, перемежаемых вследствие перекрываний и/или перекрещиваний.In the case where the manipulated, unprocessed three-dimensional structure comprises a wall whose width exceeds the nominal width L of the material layer, the material layers must be constructed in accordance with the invention, since it becomes impossible to construct this wall solely by means of superimposed material layers. According to the invention, the method provides for interleaving of the layers of material 3 as a result of alternating overlapping and/or crossing of said layers of material 3, in order to avoid the creation of spaces or voids between the layers of material. Within the framework of the invention, interleaving is understood, regardless of the definition provided by quantum mechanics, as a state of material layers interleaved due to overlapping and/or crossing.
Таким образом, для стенки 10, ширина которой превышает номинальную ширину L слоя материала 3, в рамках заявленного способа цифровую траекторию экструзионной головки 6 разбивают исключительно на пути с перекрыванием и/или на пути с перекрещиванием. Понятно, что экструзионная головка 6 (или, точнее, ее несущая каретка) следует точка за точкой по траектории, полностью определенной от начала до конца процесса изготовления манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2 по последовательности точек. Каждая из этих точек заранее определена в пространстве ее декартовыми координатами Xi, Yi, Zi. Координаты Xi и Yi точно определяют положение центра круглого отверстия 8 экструзионного сопла. Таким образом, экструзионная головка 6 перемещается от точки А (Xa, Ya, Za) до точки В (Xb, Yb, Zb), следуя вектору АВ, затем от точки В к точке С, следуя вектору АС, и так далее в соответствии с последовательностью серий команд, называемых командами G-кода промежуточной программы между цифровой 3D-моделью и машиной печати. Следует отметить, что, кроме определения траектории в каждой из ее точек, определяемой декартовыми координатами Xi, Yi, Zi, для каждой из этих точек определяют все параметры, в частности, расход экструзии Е и скорость перемещения F экструзионной головки 6.Thus, for wall 10, the width of which exceeds the nominal width L of material layer 3, within the framework of the claimed method, the digital trajectory of extrusion head 6 is broken down exclusively into overlapping and/or crossing paths. Clearly, extrusion head 6 (or, more precisely, its supporting carriage) follows a trajectory point by point, completely defined from the beginning to the end of the manufacturing process of the manipulated, raw three-dimensional structure 2 by a sequence of points. Each of these points is predetermined in space by its Cartesian coordinates Xi, Yi, Zi. The coordinates Xi and Yi precisely determine the position of the center of the circular opening 8 of the extrusion nozzle. Thus, extrusion head 6 moves from point A (Xa, Ya, Za) to point B (Xb, Yb, Zb), following vector AB, then from point B to point C, following vector AC, and so on, in accordance with a sequence of command series called G-code commands of the intermediate program between the digital 3D model and the printing machine. It should be noted that, in addition to determining the trajectory at each of its points, defined by Cartesian coordinates Xi, Yi, Zi, all parameters are determined for each of these points, in particular, the extrusion flow rate E and the movement speed F of extrusion head 6.
Понятно, что цифровую траекторию экструзионной головки 6 разбивают на пути с перекрыванием и на пути с перекрещиванием. Как показано на фиг. 5 и 5а, путь с перекрыванием соответствует части траектории, при которой слой материала 3 (порядка n) частично перекрывает по меньшей мере один край 3b ранее нанесенного материала 3 (порядка n-1), чтобы избегать во внутренней части манипулируемой необработанной трехмерной структуры пространств между закругленными краями наносимого материала и краями ранее нанесенного материала. Как показано, в частности, на фиг. 5А, наносимый материал (порядка n) частично перекрывает по меньшей мере один край 3b ранее нанесенного материала 3 (порядка n-1) перекрывающей частью материала, присутствующей в его толщине, то есть между верхней стороной 3s и нижней стороной 3i указанного наносимого слоя. Кроме того, эта перекрывающая часть материала 3с имеет толщину, строго меньшую номинальной высоты е.It is clear that the digital trajectory of the extrusion head 6 is divided into overlapping paths and crossing paths. As shown in Figs. 5 and 5a, the overlapping path corresponds to the part of the trajectory, in which the layer of material 3 (of the order n) partially overlaps at least one edge 3b of the previously applied material 3 (of the order n-1), in order to avoid spaces between the rounded edges of the applied material and the edges of the previously applied material in the inner part of the manipulated unprocessed three-dimensional structure. As shown, in particular, in Fig. 5A, the applied material (of the order n) partially overlaps at least one edge 3b of the previously applied material 3 (of the order n-1) with the overlapping part of the material present in its thickness, that is, between the upper side 3s and the lower side 3i of said applied layer. In addition, this overlapping part of the material 3c has a thickness strictly less than the nominal height e.
Согласно признаку заявленного способа, для пути с перекрыванием экструзионной головкой 6 управляют таким образом, чтобы регулировать расход экструзии в зависимости от степени перекрывания перекрывающей части материала на ранее нанесенном слое материала.According to the feature of the claimed method, for the overlapping path, the extrusion head 6 is controlled in such a way as to regulate the extrusion flow rate depending on the degree of overlap of the overlapping portion of the material on the previously applied layer of material.
Путь с перекрещиванием соответствует, как показано на фиг. 6А и 6В, части траектории, при которой текущий наносимый слой материала (порядка n) перекрещивается по меньшей мере с одним ранее нанесенным слоем материала (порядка n-1) с полным перекрыванием указанного ранее нанесенного слоя материала, чтобы избегать во внутренней части манипулируемой необработанной трехмерной структуры пространств между закругленными краями наносимого материала и краями ранее нанесенного материала. На пути с перекрещиванием материал в ходе нанесения (порядка n) полностью перекрывает перекрывающей частью материала 3с ранее нанесенный слой материала (порядка n-1), то есть проходя как минимум от одного края 3b к другому ранее нанесенного слоя материала. Это перекрещивание между этими двумя слоями материала может происходить в любых возможных угловых положениях между направлениями этих двух слоев материала. Перекрывающая часть материала 3с рассматривается в толщине текущего наносимого слоя материала, то есть между верхней стороной и нижней стороной указанного наносимого слоя. Кроме того, эта перекрывающая часть материала 3с имеет толщину, строго меньшую номинальной высоты е.The crossing path corresponds, as shown in Fig. 6A and 6B, to a portion of the trajectory in which the current applied material layer (of order n) crosses at least one previously applied material layer (of order n-1) with a complete overlap of said previously applied material layer, in order to avoid spaces between the rounded edges of the applied material and the edges of the previously applied material in the interior of the manipulated unprocessed three-dimensional structure. In the crossing path, the material during application (of order n) completely overlaps the previously applied material layer (of order n-1) with the overlapping portion of material 3c, i.e., passing from at least one edge 3b to the other of the previously applied material layer. This crossing between these two material layers can occur in any possible angular positions between the directions of these two material layers. The overlapping portion of material 3c is considered in the thickness of the current applied material layer, i.e., between the upper side and the lower side of said applied layer. In addition, this overlapping part of material 3c has a thickness strictly less than the nominal height e.
Из представленного выше описания можно сделать вывод о чередовании между слоями материала 3. Такое чередование существует, начиная с момента, когда во время оборота имеется по меньшей мере один путь с перекрыванием и/или один путь с перекрещиванием. Каждый из следующих оборотов, который обязательно «закрывает» предыдущее перекрывание или перекрывания и/или предыдущее перекрещивание или перекрещивания, осуществляет перемежение слоев материала 3. Таким образом, перемежение слоев материала является результатом многочисленных оборотов, для каждого из которых имеется по меньшей мере один путь с перекрыванием и/или один путь с перекрещиванием.From the above description, one can deduce the alternation between the layers of material 3. Such alternation exists from the moment when, during a rotation, there is at least one overlapping path and/or one crossing path. Each subsequent rotation, which necessarily "covers" the previous overlap(s) and/or the previous crossing(s), performs alternation of the layers of material 3. Thus, the alternation of the layers of material is the result of multiple rotations, each of which has at least one overlapping path and/or one crossing path.
Согласно признаку заявленного способа, для пути с перекрещиванием экструзионной головкой 6 управляют таким образом, чтобы уменьшить количество наносимого материала и чтобы получить перекрывающую часть материала, имеющую толщину, строго меньшую номинальной высоты е. Таким образом, как наглядно показано на фиг. 6А и 6В, каждый слой материала имеет номинальную высоту е, кроме случая напротив или во время прохождения над уже полученным слоем материала.According to the feature of the claimed method, for the crossing path, the extrusion head 6 is controlled in such a way as to reduce the amount of material applied and to obtain an overlapping portion of material having a thickness strictly less than the nominal height e. Thus, as clearly shown in Fig. 6A and 6B, each layer of material has a nominal height e, except in the case opposite or during passage over an already obtained layer of material.
Так, как показано на фиг. 6А и 6В, первый слой материала n выполняют с толщиной, меньшей номинальной высоты е, например, равной е/2. Для слоя материала n, который перекрещивается с ранее выполненным слоем материала n-1, этот слой материала n получают с номинальной толщиной е, кроме случая, когда он перекрывает предыдущий слой материала n-1. Когда экструзионная головка находится прямо над слоем материала, расход экструзии уменьшают таким образом, чтобы перекрывающая часть 3b слоя имела толщину, меньшую номинальной толщины е, равную е/2 в представленном примере. Таким образом, пути перекрещивания, получаемые в соответствии с принципом изобретения, не имеют пустот в отличие от известного решения, показанного на фиг. 13С-13Е.Thus, as shown in Fig. 6A and 6B, the first layer of material n is made with a thickness less than the nominal height e, for example, equal to e/2. For a layer of material n that intersects with a previously made layer of material n-1, this layer of material n is obtained with a nominal thickness e, except for the case when it overlaps the previous layer of material n-1. When the extrusion head is located directly above the layer of material, the extrusion flow rate is reduced such that the overlapping portion 3b of the layer has a thickness less than the nominal thickness e, equal to e/2 in the example shown. Thus, the crossing paths obtained in accordance with the principle of the invention do not have voids, in contrast to the known solution shown in Fig. 13C-13E.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, экструзионная головка 6 установлена подвижно по заранее определенной цифровой траектории Т для осуществления последовательности оборотов t, каждый из который соответствует проходимому пути, чтобы оказаться в том же положении в горизонтальной плоскости с возвышением, соответствующим номинальной высоте е. Иначе говоря, цифровую траекторию экструзионной головки 6 разбивают на обороты, считая, что для каждого оборота экструзионная головка 6 поднимается на номинальную высоту е. Разумеется, число оборотов t выбирают таким образом, чтобы получить требуемую высоту для манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2.According to a preferred embodiment of the invention, the extrusion head 6 is movably mounted along a predetermined digital trajectory T to perform a sequence of revolutions t, each of which corresponds to a traversed path in order to end up in the same position in the horizontal plane with an elevation corresponding to a nominal height e. In other words, the digital trajectory of the extrusion head 6 is divided into revolutions, considering that for each revolution the extrusion head 6 rises to a nominal height e. Naturally, the number of revolutions t is selected in such a way as to obtain the required height for the manipulated unprocessed three-dimensional structure 2.
На каждом из этих оборотов t проход экструзионной головки 6 является одним или несколькими путями с перекрыванием и/или одним или несколькими путями с перекрещиванием. Для каждого из этих оборотов экструзионная головка 6 осуществляет проход, образованный последовательностью точек с координатами Xi, Yi, Zi, как было указано выше, с возможностью возвышения вдоль вертикальной оси в одной или нескольких из этих точек.At each of these revolutions, the extrusion head 6 passes through one or more overlapping paths and/or one or more crossing paths. For each of these revolutions, the extrusion head 6 performs a pass formed by a sequence of points with coordinates Xi, Yi, Zi, as indicated above, with the possibility of elevation along the vertical axis at one or more of these points.
Согласно первому примеру осуществления, описанному, в частности, со ссылками на фиг. 7-7В и 8-8С, в рамках способа предусмотрено управление экструзионной головкой 6 таким образом, чтобы по меньшей мере на одном обороте экструзионная головка поднималась по меньшей мере один раз на промежуточную высоту, которая является долей номинальной высоты е.According to a first embodiment, described in particular with reference to Figs. 7-7B and 8-8C, the method provides for controlling the extrusion head 6 in such a way that at least in one revolution the extrusion head is raised at least once to an intermediate height, which is a fraction of the nominal height e.
Согласно второму примеру осуществления, описанному, в частности, со ссылками на фиг. 9-9В и 10-10С, в рамках способа предусмотрено управление экструзионной головкой 6 таким образом, чтобы по меньшей мере на одном обороте экструзионная головка располагалась в разных точках пути, поднимаясь в каждой точке на инкремент высоты, сумма которого соответствует номинальной высоте е.According to a second embodiment, described in particular with reference to Figs. 9-9B and 10-10C, the method provides for controlling the extrusion head 6 in such a way that at least on one revolution the extrusion head is located at different points along the path, rising at each point by a height increment, the sum of which corresponds to the nominal height e.
Описание, представленное со ссылками на фиг. 7-7В и 8-8С, касается первого примера осуществления способа, называемого «последовательным режимом вазы», согласно которому строят часть пути на одной и той же высоте а (например, а=е/2), затем возвышение инкрементируют на значение а, чтобы завершить оборот и перекрыть предыдущий слой перекрывающей частью со значением а. Согласно этому методу, номинальная высота е является целым числом, кратным а.The description presented with reference to Figs. 7-7B and 8-8C concerns a first example of the implementation of the method called the "sequential vase mode," according to which a portion of the path is built at the same height a (e.g., a=e/2), then the elevation is incremented by the value a to complete a revolution and cover the previous layer with an overlapping portion with the value a. According to this method, the nominal height e is an integer multiple of a.
На фиг. 7В показана первая половина пути, проходимого экструзионной головкой 6, соответствующая окружности диаметром D1. Как показано на фиг. 7 и 7А, первый валик материала 3 наносят на горизонтальную площадку 5 с возвышением, равным е/2, продолжающимся на всем прохождении окружности диаметром D1. В рамках изобретения этот проход, который покрывает окружность на 360°, соответствует половине оборота. После прохождения этой половины оборота на одной высоте е/2 экструзионная головка 6 и, следовательно, центр пропускного отверстия 8 смещается радиально к центру окружности на расстояние равное d = (D2-D1)/2 и поднимается на инкремент, равный е/2, следуя по окружности диаметром D2 (фиг. 8А, 8В). В результате получают слой материала, который частично перекрывает внутренний край 3b ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью 3с материала, присутствующей в его толщине. Следует отметить, что перекрывающая часть 3с материала имеет толщину, строго меньшую номинальной высоты е. Таким образом, экструзионная головка 6 прошла оборот t в рамках изобретения, соответствующий пути по окружности диаметром D1, а затем по окружности диаметром D2 (фиг. 8В).In Fig. 7B the first half of the path passed by the extrusion head 6 is shown, corresponding to a circle of diameter D1. As shown in Fig. 7 and 7A, the first bead of material 3 is applied to the horizontal platform 5 with a rise equal to e/2, continuing throughout the entire passage of the circle of diameter D1. Within the framework of the invention, this passage, which covers the circle by 360°, corresponds to half a revolution. After passing this half a revolution at one height e/2, the extrusion head 6 and, consequently, the center of the throughput opening 8 are shifted radially towards the center of the circle by a distance equal to d = (D2 - D1)/2 and rise by an increment equal to e/2, following the circle of diameter D2 (Fig. 8A, 8B). As a result, a layer of material is obtained, which partially overlaps the inner edge 3b of the previously applied layer of material with an overlapping portion 3c of the material, present in its thickness. It should be noted that the overlapping part 3c of the material has a thickness strictly less than the nominal height e. Thus, the extrusion head 6 has passed a revolution t within the framework of the invention, corresponding to a path along a circle of diameter D1, and then along a circle of diameter D2 (Fig. 8B).
В положении, показанном на фиг. 8А, экструзионная головка 6 (и, следовательно, центр пропускного отверстия 8) смещается радиально наружу окружности D2 на расстояние, равное d, и опять поднимается на инкремент е/2, частично перекрывая предыдущий слой материала по окружности D1. В результате получают слой материала, который частично перекрывает наружный край 3b ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью 3d, присутствующей в его толщине. Перекрывающая часть 3d материала имеет толщину, строго меньшую номинальной высоты е. Экструзионная головка 6 смещается радиально внутрь окружности D1, на расстояние, равное d, и опять поднимается на инкремент е/2, частично перекрывая предыдущий слой материала по окружности D2. В результате получают слой материала, который частично перекрывает внутренний край 3b ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью 3с, присутствующей в его толщине. Таким образом, экструзионная головка 6 прошла второй оборот t в рамках изобретения, соответствующий пути по окружности диаметром D1, а затем по окружности диаметром D2 (фиг. 8С).In the position shown in Fig. 8A, the extrusion head 6 (and, consequently, the center of the throughput opening 8) is displaced radially outward from the circumference D2 by a distance equal to d and is again raised by an increment of e/2, partially overlapping the previous layer of material along the circumference D1. As a result, a layer of material is obtained that partially overlaps the outer edge 3b of the previously applied layer of material with an overlapping portion 3d present in its thickness. The overlapping portion 3d of the material has a thickness strictly less than the nominal height e. The extrusion head 6 is displaced radially inward from the circumference D1 by a distance equal to d and is again raised by an increment of e/2, partially overlapping the previous layer of material along the circumference D2. As a result, a layer of material is obtained that partially overlaps the inner edge 3b of the previously applied layer of material with an overlapping portion 3c present in its thickness. Thus, the extrusion head 6 has passed the second revolution t within the framework of the invention, corresponding to the path along a circle with a diameter D1, and then along a circle with a diameter D2 (Fig. 8C).
Экструзионной головкой 6 управляют далее в зависимости от числа оборотов, обеспечивающего построение по требуемой высоте для манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2. Следует отметить, что в представленном примере проходы за первый оборот и за второй оборот являются идентичными. Разумеется, можно предусмотреть, чтобы проходы различных оборотов различались между собой. Точно так же, номинальная высота е для каждого из оборотов, которая является идентичной в представленном примере, может различаться для разных оборотов.Extrusion head 6 is then controlled depending on the number of revolutions, ensuring the required height for the manipulated raw three-dimensional structure 2. It should be noted that in the example shown, the passes for the first and second revolutions are identical. Of course, it is possible to provide for the passes for different revolutions to differ. Similarly, the nominal height e for each revolution, which is identical in the example shown, may differ for different revolutions.
Описание, представленное со ссылками на фиг. 9-9В и 10-10С, касается второго примера осуществления способа, называемого «непрерывным режимом вазы», при котором экструзионная головка 6 экструдирует возрастающее количество материала, пропорциональное ее положению.The description given with reference to Figs. 9-9B and 10-10C concerns a second example of the method, called the "continuous vase mode", in which the extrusion head 6 extrudes an increasing amount of material proportional to its position.
На фиг. 9В показана первая половина пути, проходимого экструзионной головкой 6, соответствующая окружности диаметром D1. Как показано на фиг. 9 и 9А, первый валик материала 3 наносят на горизонтальную площадку 5 с постепенным возвышением, продолжающимся на всем прохождении окружности диаметром D1, чтобы в конце прохождения окружности D1 достичь высоты, равной е/2. В рамках изобретения этот проход соответствует половине оборота, при этом необходимо отметить, что на четверти оборота толщина слоя материала равна е/4. После прохождения этой половины оборота для достижения высоты е/2 экструзионная головка 6 смещается радиально к центру окружности на расстояние равное d = (D2-D1)/2 и постепенно непрерывно поднимается по окружности диаметром D1, чтобы достичь высоты е в конце пути, проходимого по этому диаметру D1 (фиг. 10, 10А, 10В). В результате получают слой материала, который частично перекрывает внутренний край 3b ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью 3d материала, присутствующей в его толщине. Следует отметить, что перекрывающая часть материала имеет толщину, строго меньшую номинальной высоты е. Таким образом, экструзионная головка 6 прошла оборот t в рамках изобретения, соответствующий пути по окружности диаметром D1, а затем по окружности диаметром D2.In Fig. 9B the first half of the path passed by the extrusion head 6 is shown, corresponding to a circle of diameter D1. As shown in Fig. 9 and 9A, the first bead of material 3 is applied to the horizontal platform 5 with a gradual rise, continuing throughout the entire passage of the circle of diameter D1, in order to reach a height equal to e/2 at the end of the passage of the circle D1. Within the framework of the invention, this passage corresponds to half a revolution, while it should be noted that at a quarter of a revolution the thickness of the material layer is equal to e/4. After passing this half revolution, in order to reach a height e/2, the extrusion head 6 is displaced radially towards the center of the circle by a distance equal to d = (D2 - D1) / 2 and gradually and continuously rises along the circle of diameter D1 in order to reach a height e at the end of the path passed along this diameter D1 (Fig. 10, 10A, 10B). The resulting layer of material partially overlaps the inner edge 3b of the previously applied layer of material with an overlapping portion 3d of the material present within its thickness. It should be noted that the overlapping portion of the material has a thickness strictly less than the nominal height e. Thus, extrusion head 6 has completed a revolution t within the scope of the invention, corresponding to a path along a circumference of diameter D1, and then along a circumference of diameter D2.
В положении, показанном на фиг. 10А, экструзионная головка 6 смещается радиально наружу окружности D2 на расстояние, равное d, и постепенно поднимается на инкремент е/2, частично перекрывая предыдущий слой материала по окружности D1. В результате получают слой материала, который частично перекрывает наружный край 3b ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью 3d, присутствующей в его толщине. Перекрывающая часть материала имеет толщину, строго меньшую номинальной высоты е. Экструзионная головка 6 смещается радиально внутрь окружности D1 на расстояние, равное d, и опять постепенно поднимается на инкремент е/2, частично перекрывая предыдущий слой материала по окружности D2. В результате получают слой материала, который частично перекрывает внутренний край ранее нанесенного слоя материала перекрывающей частью, присутствующей в его толщине. Таким образом, экструзионная головка 6 прошла второй оборот t в рамках изобретения, соответствующий пути по окружности диаметром D1, а затем по окружности диаметром D2 (фиг. 10С).In the position shown in Fig. 10A, the extrusion head 6 is displaced radially outward from the circumference D2 by a distance equal to d and is gradually raised by an increment of e/2, partially overlapping the previous layer of material along the circumference D1. As a result, a layer of material is obtained that partially overlaps the outer edge 3b of the previously applied layer of material with an overlapping portion 3d present in its thickness. The overlapping portion of the material has a thickness strictly less than the nominal height e. The extrusion head 6 is displaced radially inward from the circumference D1 by a distance equal to d and is again gradually raised by an increment of e/2, partially overlapping the previous layer of material along the circumference D2. As a result, a layer of material is obtained that partially overlaps the inner edge of the previously applied layer of material with an overlapping portion present in its thickness. Thus, the extrusion head 6 has passed the second revolution t within the framework of the invention, corresponding to the path along a circle with a diameter D1, and then along a circle with a diameter D2 (Fig. 10C).
Экструзионной головкой 6 управляют далее в зависимости от числа оборотов, обеспечивающего построение по требуемой высоте для манипулируемой необработанной трехмерной структуры. Следует отметить, что в представленном примере проходы за первый оборот и за второй оборот являются идентичными. Разумеется, можно предусмотреть, чтобы проходы различных оборотов различались между собой. Точно так же, номинальная высота для каждого из оборотов, которая является идентичной в представленном примере, может различаться для разных оборотов.Extrusion head 6 is then controlled depending on the number of revolutions, ensuring the desired height of the manipulated raw three-dimensional structure is constructed. It should be noted that in the example shown, the passes for the first and second revolutions are identical. Of course, it is possible to design the passes for different revolutions to differ. Likewise, the nominal height for each revolution, which is identical in the example shown, may vary for different revolutions.
На фиг. 11 в качестве примера на кривой А представлен проход экструзионной головки 6 для способа, называемого «последовательным режимом вазы» и описанного со ссылками на фиг. 7-7В и 8-8С. Путь совершается, например, от точки к точке по двум ступеням инкрементов е/2. Согласно этому примеру, экструзионной головкой 6 управляют таким образом, чтобы по меньшей мере на одном обороте t экструзионная головка поднималась по меньшей мере один раз на промежуточную высоту, которая является долей номинальной высоты.In Fig. 11, as an example, the curve A shows the passage of the extrusion head 6 for the method called the "sequential vase mode" and described with reference to Figs. 7-7B and 8-8C. The path is made, for example, from point to point in two stages of increments e/2. According to this example, the extrusion head 6 is controlled in such a way that at least in one revolution t the extrusion head rises at least once to an intermediate height, which is a fraction of the nominal height.
Кривая В описывает проход экструзионной головки 6 для способа, называемого «непрерывным режимом вазы» и представленного на фиг. 9-9В и 10-10С. В представленном примере каждый путь (оборот t) совершается по пятнадцати точкам (с координатами Х, Y), то есть с пятнадцатью инкрементами или ступенями высоты dZ, пропорциональными расстоянию, которое разделяет две последовательные точки, то есть пятнадцать инкрементов одинаковой высоты dZ=e/15. Таким образом в рамках способа экструзионной головкой 6 управляют, чтобы по меньшей мере на одном обороте экструзионная головка находилась в разных точках пути, поднимаясь в каждой точке на инкремент высоты, сумма которого соответствует номинальной высоте е. Следует отметить, что на фиг. 11 показана кривая непрерывного постепенного возвышения С, соответствующая постепенному возвышению вдоль оси Z экструзионной головки.Curve B describes the passage of the extrusion head 6 for the method called the "continuous vase mode" and shown in Figs. 9-9B and 10-10C. In the example shown, each path (revolution t) is completed through fifteen points (with coordinates X, Y), that is, with fifteen increments or steps of height dZ, proportional to the distance that separates two successive points, that is, fifteen increments of the same height dZ=e/15. Thus, within the framework of the method, the extrusion head 6 is controlled so that at least in one revolution the extrusion head is at different points of the path, rising at each point by an increment of height, the sum of which corresponds to the nominal height e. It should be noted that Fig. 11 shows a curve of continuous gradual rise C, corresponding to a gradual rise along the Z axis of the extrusion head.
Из представленного выше описания следует, что экструзионной головкой 6 управляют, чтобы посредством последовательности оборотов экструзионная головка поднималась для построения манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2 в соответствии с цифровой 3D-моделью, следуя по траектории с непрерывным нанесением слоя материала 3 от начала до конца построения манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2.From the above description it follows that the extrusion head 6 is controlled so that by means of a sequence of revolutions the extrusion head is raised to construct the manipulated raw three-dimensional structure 2 in accordance with the digital 3D model, following a trajectory with continuous application of a layer of material 3 from the beginning to the end of the construction of the manipulated raw three-dimensional structure 2.
Кроме того, экструзионной головкой 6 управляют таким образом, чтобы в ходе каждого оборота t экструзионная головка смещалась в горизонтальной плоскости Х, Y и чтобы наносимый текущий материал частично перекрывал край ранее нанесенного слоя материала. Предпочтительно для пути с перекрыванием экструзионной головкой 6 управляют, чтобы регулировать ее положение в горизонтальной плоскости Х, Y и чтобы определить степень перекрывания перекрывающей части материала 3d на ранее нанесенном слое материала. Как было указано выше, смещение d в горизонтальной плоскости Х, Y между последовательными проходами позволяет выбрать степень перекрывания между слоями материала.Furthermore, the extrusion head 6 is controlled such that during each revolution t, the extrusion head is displaced in the horizontal X, Y plane and such that the applied flowing material partially overlaps the edge of the previously applied layer of material. Preferably, for the overlapping path, the extrusion head 6 is controlled to regulate its position in the horizontal X, Y plane and to determine the degree of overlap of the overlapping portion of material 3d on the previously applied layer of material. As noted above, the displacement d in the horizontal X, Y plane between successive passes allows the degree of overlap between the layers of material to be selected.
В примерах осуществления, иллюстрирующих принцип изобретения, можно отметить, что получаемая стенка имеет ширину, которую можно построить при помощи двух частично перекрывающих друг друга слоев материала. Разумеется, принцип изобретения можно применять для построения стенки, ширина которой требует большего числа наносимых слоев материала, как показано в качестве примера на фиг. 12А и 12В с тремя слоями. Согласно этому примеру выполнения, получаемая стенка ограничивает два смежных канала и имеет ширину с перекрываниями трех слоев. Построение этой стенки производят в режиме вазы, следуя по пути a1+b1+c1+d1+e1+f1+g1, затем по пути a2+b2+c2+d2+e2+f2+g2, затем a3+b3… Расход экструзионной головки 6 снижается до нуля, когда экструзионная головка 6, завершая fi, доходит до ei и до развилки (следуя по gi), чтобы достичь ai+1. Значения толщины слоев материала первого оборота соответствуют и пропорциональны проходимому пути, тогда как значения толщины слоев, начиная со второго оборота, равны номинальной толщине.In the embodiment examples illustrating the principle of the invention, it can be noted that the resulting wall has a width that can be constructed using two partially overlapping layers of material. Of course, the principle of the invention can be applied to construct a wall whose width requires a greater number of applied layers of material, as shown by way of example in Fig. 12A and 12B with three layers. According to this embodiment example, the resulting wall limits two adjacent channels and has a width with overlapping three layers. This wall is constructed in the vase mode, following the path a1+b1+c1+d1+e1+f1+g1, then along the path a2+b2+c2+d2+e2+f2+g2, then a3+b3... The flow rate of the extrusion head 6 is reduced to zero when the extrusion head 6, completing fi, reaches ei and the fork (following gi) in order to reach ai+1. The thickness values of the material layers of the first turn correspond to and are proportional to the traveled distance, while the thickness values of the layers, starting from the second turn, are equal to the nominal thickness.
Согласно признаку осуществления изобретения, для пути с перекрыванием экструзионной головкой 6 управляют таким образом, чтобы поддерживать постоянный расход слоя наносимого материала, тогда как расход экструзионной головки 6 уменьшается для пути с перекрещиванием.According to a feature of the embodiment of the invention, for the overlapping path, the extrusion head 6 is controlled in such a way as to maintain a constant flow rate of the layer of applied material, while the flow rate of the extrusion head 6 is reduced for the crossing path.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает построение манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2 без образования пустот при любых форме или размерах стенок. Фиг. 15 иллюстрирует пример манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2, которая после спекания не имеет ни одного пустого пространства в полученных стенках. Описанные выше примеры поясняют первый предпочтительный вариант осуществления, называемый конвенциональным режимом или режимом вазы, при котором экструзионная головка следует по траектории с непрерывным нанесением слоя материала 3 от начала до конца построения манипулируемой необработанной трехмерной структуры 2.Thus, the claimed method enables the construction of a manipulable, unprocessed three-dimensional structure 2 without the formation of voids, regardless of the shape or size of the walls. Fig. 15 illustrates an example of a manipulable, unprocessed three-dimensional structure 2 that, after sintering, has no voids in the resulting walls. The examples described above illustrate the first preferred embodiment, referred to as the conventional mode or vase mode, in which the extrusion head follows a trajectory with the continuous deposition of a layer of material 3 from the beginning to the end of the construction of the manipulable, unprocessed three-dimensional structure 2.
Фиг. 14 иллюстрирует второй вариант осуществления, при котором экструзионная головка 6 установлена подвижно по заранее определенной цифровой траектории Т, чтобы наносить слои материала друг над другом пластами, каждый из которых возвышается на номинальную высоту е. Нанесение материала пластами описано, в частности, в документах WO 2020/109715 и WO 2020/109716. Этот способ состоит в формировании первого пласта 31 и 32 в соответствии с цифровой 3D-моделью, задаваемой программой компьютерного проектирования, благодаря горизонтальному перемещению пропускного отверстия 8 над горизонтальной площадкой 5.Fig. 14 illustrates a second embodiment in which the extrusion head 6 is movably mounted along a predetermined digital path T to apply layers of material one above the other in layers, each of which rises to a nominal height e. The application of material in layers is described, in particular, in documents WO 2020/109715 and WO 2020/109716. This method consists of forming a first layer 3 1 and 3 2 in accordance with a digital 3D model defined by a computer design program, thanks to the horizontal movement of the through hole 8 above the horizontal platform 5.
Экструзионная головка 6 перемещается горизонтально и, следовательно, параллельно горизонтальной площадке 5 по пути, заранее определенному в зависимости от цифровой 3D-модели М, чтобы сформировать первый пласт. После нанесения первого пласта экструзионная головка 6 перемещается таким образом, чтобы нанесенный валик образовал второй пласт 33 в соответствии с цифровой 3D-моделью М. Для этого экструзионная головка 6 перемещается вертикально (то есть вдоль оси Z) и горизонтально (то есть вдоль осей Х и/или Y) до требуемого положения. Экструзия неорганической композиции 4 через экструзионную головку 6 может быть непрерывной или прерывистой. Таким образом, второй пласт наносят на первый пласт с наложением материала на ранее нанесенный пласт в соответствии с цифровой 3D-моделью М.The extrusion head 6 moves horizontally and, therefore, parallel to the horizontal platform 5 along a path predetermined depending on the digital 3D model M in order to form the first layer. After applying the first layer, the extrusion head 6 moves in such a way that the applied bead forms the second layer 3 3 in accordance with the digital 3D model M. For this purpose, the extrusion head 6 moves vertically (i.e., along the Z axis) and horizontally (i.e., along the X and/or Y axes) to the required position. The extrusion of the inorganic composition 4 through the extrusion head 6 can be continuous or discontinuous. Thus, the second layer is applied to the first layer with the material overlapping the previously applied layer in accordance with the digital 3D model M.
Разумеется, нанесение слоя материала производят, чтобы обеспечить перекрывание (полное или частичное), как было описано выше, чтобы избежать образования пустом между слоями материала. Так, в примере, представленном на фиг. 14, слой материала 33 второго пласта частично перекрывает, начиная от своих двух противоположных краев, соседние края двух ранее нанесенных слоев материала 31 и 32, что позволяет избежать образования пустых пространств.Naturally, the application of the material layer is carried out to ensure overlap (complete or partial), as described above, to avoid the formation of voids between the material layers. Thus, in the example shown in Fig. 14, the layer of material 3 3 of the second layer partially overlaps, starting from its two opposite edges, the adjacent edges of the two previously applied layers of material 3 1 and 3 2 , which avoids the formation of voids.
Заявленный способ позволяет строить манипулируемые необработанные трехмерные структуры 2, предназначенные для формирования монолитных неорганических пористых носителей 1, имеющих характеристики механической прочности, адаптированные для их использования при тангенциальной фильтрации. Предпочтительно, экструзионной головкой 6 управляют таким образом, чтобы получить в манипулируемой необработанной трехмерной структуре 2 по меньшей мере один канал 11 циркуляции обрабатываемой текучей среды. Стенка этого канала 11 образована закругленными краями 3b слоев материала, находящимися противоположно к перекрывающей части материала. Как показано на чертежах, экструзионная головка 6 выполнена таким образом, чтобы слои материала имели закругленные края 3b. Таким образом, канал 11 содержит стенку, имеющую закругленные рельефные элементы, каждый из которых проходит по всей периферии канала, будучи образованным закругленным краем 3b слоев материала. Эти периферийные закругленные рельефные элементы расположены друг над другом по длине канала, как показано на фиг. 15 и 16. В масштабе толщины е слоев материала эти периферийные рельефные элементы участвуют на своем уровне в этом канале при тангенциальной фильтрации в создании завихрений вдоль всего канала. На фиг.16 можно отметить, что эти периферийные закругленные рельефные элементы присутствуют, даже когда внутренняя стенка каналов 11 покрыта разделительными слоями, профиль которых проявляется в виде линии на фиг. 16. Таким образом, разделительный слой или разделительные слои повторяют форму периферийных закругленных рельефных элементов, закругленный профиль которых сохраняется, чтобы участвовать в создании завихрений в канале 11. Следует отметить, что монолитный неорганический пористый носитель 1, изготовленный посредством заявленного способа, имеет наружную поверхность, тоже содержащую последовательность периферийных закругленных рельефных элементов St, которые расположены друг над другом вдоль носителя, как показано на фиг. 2В, 15 и 16.The claimed method makes it possible to construct manipulated unprocessed three-dimensional structures 2 intended for forming monolithic inorganic porous carriers 1 having mechanical strength characteristics adapted for their use in tangential filtration. Preferably, the extrusion head 6 is controlled in such a way as to obtain in the manipulated unprocessed three-dimensional structure 2 at least one channel 11 for circulation of the processed fluid. The wall of this channel 11 is formed by rounded edges 3b of the material layers, located opposite to the overlapping part of the material. As shown in the drawings, the extrusion head 6 is made in such a way that the material layers have rounded edges 3b. Thus, the channel 11 comprises a wall having rounded relief elements, each of which extends along the entire periphery of the channel, being formed by the rounded edge 3b of the material layers. These peripheral rounded relief elements are located one above the other along the length of the channel, as shown in Fig. 15 and 16. On the scale of the thickness e of the material layers, these peripheral relief elements participate at their level in this channel during tangential filtration in the creation of vortices along the entire channel. In Fig. 16, it can be noted that these peripheral rounded relief elements are present even when the inner wall of the channels 11 is covered with separating layers, the profile of which appears in the form of a line in Fig. 16. Thus, the separating layer or separating layers repeat the shape of the peripheral rounded relief elements, the rounded profile of which is preserved in order to participate in the creation of vortices in the channel 11. It should be noted that the monolithic inorganic porous carrier 1, manufactured by the claimed method, has an outer surface, which also contains a sequence of peripheral rounded relief elements St, which are located one above the other along the carrier, as shown in Fig. 2B, 15 and 16.
Claims (18)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FRFR2114668 | 2021-12-30 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2024121521A RU2024121521A (en) | 2024-08-26 |
| RU2024121521A3 RU2024121521A3 (en) | 2026-05-27 |
| RU2866309C2 true RU2866309C2 (en) | 2026-07-17 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU182393U1 (en) * | 2017-12-21 | 2018-08-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Тоталзед" | 3D print head |
| RU2697243C2 (en) * | 2015-03-11 | 2019-08-13 | Рейдел Аутомотив Б.В. | Method and apparatus for object coating with formation of structured surface |
| WO2020070033A1 (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-09 | Signify Holding B.V. | Method for printing objects with inclination angles less than 45° with respect to building plate |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697243C2 (en) * | 2015-03-11 | 2019-08-13 | Рейдел Аутомотив Б.В. | Method and apparatus for object coating with formation of structured surface |
| RU182393U1 (en) * | 2017-12-21 | 2018-08-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Тоталзед" | 3D print head |
| WO2020070033A1 (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-09 | Signify Holding B.V. | Method for printing objects with inclination angles less than 45° with respect to building plate |